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2025-2026学年下学期期末

2025-2026学年下学期期末试卷(A)(含答案)

一、选择题(每小题 4 分,共 20 分)

  1. 设函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 处处可微,则对曲面 z=f(x,y)z=f(x,y),下述描述正确的为( )。

    A. 未必处处皆有切平面

    B. 处处皆有切平面,但未必有连续变化的法向量

    C. 处处皆有切平面,且有连续变化的法向量

    D. 以上皆不正确

    答案:

    B


  2. 在曲线

    {y=x3,z=x2\begin{cases} y=x^3,\\ z=x^2 \end{cases}

    的所有切线中,与平面 x+y+z=1x+y+z=1 平行的切线为( )。

    A. 仅有 1 条

    B. 有 2 条

    C. 有 3 条

    D. 不存在

    答案:

    D


  3. f(x,y)f(x,y) 连续,若

    f(x,y)=xy+Df(u,v)dudv,f(x,y)=xy+\iint_D f(u,v)\,du\,dv,

    其中 DD 是由 y=0,y=3x,x=1y=0,y=3x,x=1 所围区域,则 f(x,y)f(x,y) 等于( )。

    A. xyxy

    B. 32xy\dfrac{3}{2}xy

    C. xy94xy-\dfrac{9}{4}

    D. xy92xy-\dfrac{9}{2}

    答案:

    C


  4. 曲面 x2+y2+2z2=6x^2+y^2+2z^2=6 在点 (2,0,1)(2,0,-1) 处的切平面与平面 z=0z=0 的夹角等于( )。

    A. π6\dfrac{\pi}{6}

    B. π4\dfrac{\pi}{4}

    C. π3\dfrac{\pi}{3}

    D. π2\dfrac{\pi}{2}

    答案:

    B


  5. 幂级数 n=11n4nx2n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\cdot4^n}x^{2n} 的收敛域为( )。

    A. (4,4)(-4,4)

    B. [4,4][-4,4]

    C. (2,2)(-2,2)

    D. [2,2][-2,2]

    答案:

    C


二、填空题(每小题 4 分,共 20 分)

  1. lim(x,y)(1,0)(1+xy)2y=\displaystyle\lim_{(x,y)\to(1,0)}(1+xy)^{\frac{2}{y}}=\underline{\qquad}

    答案:

    e2e^2


  2. 函数 f=ln(3sin(xz)cos(xy))f=\ln(3-\sin(xz)-\cos(xy)) 在点 (π2,1,2)\left(\dfrac{\pi}{2},1,2\right) 处的全微分 df=df=\underline{\qquad}

    答案:

    dx+π6dy+π6dzdx+\dfrac{\pi}{6}dy+\dfrac{\pi}{6}dz


  3. 设当 0x<π20\leq x<\dfrac{\pi}{2}f(x)=1f(x)=1;当 π2x<π\dfrac{\pi}{2}\leq x<\pif(x)=0f(x)=0s(x)=n=1bnsinnxs(x)=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}b_n\sin nxf(x)f(x) 展开的正弦级数,则 s(π2)=s\left(\dfrac{\pi}{2}\right)=\underline{\qquad}

    答案:

    1/21/2


  4. 若向量场 E=(x2(yz),y2(axbz),z2(xy))\boldsymbol{E}=\left(x^2(y-z),y^2(ax-bz),z^2(x-y)\right) 的散度为 0,则 ab=ab=\underline{\qquad}

    答案:

    11


  5. 函数 y(x)y(x) 满足微分方程 dydx2y=e2x\dfrac{dy}{dx}-2y=e^{2x},且 yx=0=1y\rvert_{x=0}=1,则方程的特解为 \underline{\qquad}

    答案:

    y=(x+1)e2xy=(x+1)e^{2x}


三、(10 分)

设函数

f(x,y)=(x22+y)ex+y,f(x,y)=\left(\frac{x^2}{2}+y\right)e^{x+y},

求函数 f(x,y)f(x,y) 的极值。

解:

fx=ex+y(x+x22+y)=0,(2 分)f_x=e^{x+y}\left(x+\frac{x^2}{2}+y\right)=0,\qquad\text{(2 分)}fy=ex+y(1+x22+y)=0,(2 分)f_y=e^{x+y}\left(1+\frac{x^2}{2}+y\right)=0,\qquad\text{(2 分)}

x=1,y=32.(1 分)x=1,\qquad y=-\frac{3}{2}.\qquad\text{(1 分)}

A=fxx(1,32)=2e1/2,B=fxy(1,32)=e1/2,C=fyy(1,32)=e1/2.(3 分)A=f_{xx}\left(1,-\frac{3}{2}\right)=2e^{-1/2},\quad B=f_{xy}\left(1,-\frac{3}{2}\right)=e^{-1/2},\quad C=f_{yy}\left(1,-\frac{3}{2}\right)=e^{-1/2}.\qquad\text{(3 分)}

则有

ACB2>0.(1 分)AC-B^2>0.\qquad\text{(1 分)}

所以 (1,32)\left(1,-\dfrac{3}{2}\right) 为极小值点,取得极小值

fmin=e1/2.(1 分)f_{\min}=-e^{-1/2}.\qquad\text{(1 分)}

四、(10 分)

常数 a>0a>0,已知曲线的参数方程为

x=asint,y=2a(tsint),z=2a(1cost),(0tπ),x=a\sin t,\qquad y=\sqrt{2}a(t-\sin t),\qquad z=\sqrt{2}a(1-\cos t),\qquad(0\leq t\leq\pi),

若曲线在 (x,y,z)(x,y,z) 处的线密度为 x2x^2,求曲线的质量 MM

解:
x˙=acost,y˙=2a(1cost),z˙=2asint,\dot{x}=a\cos t,\qquad \dot{y}=\sqrt{2}a(1-\cos t),\qquad \dot{z}=\sqrt{2}a\sin t,ds=a(2cost)dt.(4 分)ds=a(2-\cos t)dt.\qquad\text{(4 分)}M=Lx2ds=0πa3sin2t(2cost)dt=πa3.(2+2+2 分)M=\int_Lx^2\,ds =\int_0^\pi a^3\sin^2t(2-\cos t)\,dt =\pi a^3.\qquad\text{(2+2+2 分)}

五、(10 分)

计算曲面积分

I=Σ[y2+x(cosycosz)]dydz+[z2+y(coszcosx)]dzdx+[x2+z(cosxcosy)]dxdy,I=\iint_\Sigma [y^2+x(\cos y-\cos z)]\,dy\,dz +[z^2+y(\cos z-\cos x)]\,dz\,dx +[x^2+z(\cos x-\cos y)]\,dx\,dy,

其中 Σ\Sigma 为曲面 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1y0,z0y\geq0,z\geq0)的上侧。

解:

添加 Σ1:z=0,y0\Sigma_1:z=0,y\geq0 下侧面;Σ2:y=0,z0\Sigma_2:y=0,z\geq0 左侧面,构成闭合曲面,形成闭合空间 Ω\Omega。(2 分)

D1:x2+y21,y0;D2:x2+z21,z0.D_1:x^2+y^2\leq1,y\geq0;\qquad D_2:x^2+z^2\leq1,z\geq0.

于是

I=Σ+Σ1+Σ2([y2+x(cosycosz)]dydz+[z2+y(coszcosx)]dzdx+[x2+z(cosxcosy)]dxdy)Σ1+Σ2([y2+x(cosycosz)]dydz+[z2+y(coszcosx)]dzdx+[x2+z(cosxcosy)]dxdy)=Ω(cosycosz+coszcosx+cosxcosy)dxdydxdz+D1x2dxdy+D2z2dzdx=0πcos2θdθ01r3dr+0πsin2θdθ01r3dr=2×π8=π4.\begin{aligned} I={}&\iint_{\Sigma+\Sigma_1+\Sigma_2} \bigl([y^2+x(\cos y-\cos z)]\,dy\,dz\\ &\quad+[z^2+y(\cos z-\cos x)]\,dz\,dx +[x^2+z(\cos x-\cos y)]\,dx\,dy\bigr)\\ &-\iint_{\Sigma_1+\Sigma_2} \bigl([y^2+x(\cos y-\cos z)]\,dy\,dz\\ &\quad+[z^2+y(\cos z-\cos x)]\,dz\,dx +[x^2+z(\cos x-\cos y)]\,dx\,dy\bigr)\\ ={}&\iiint_\Omega(\cos y-\cos z+\cos z-\cos x+\cos x-\cos y)\,dx\,dy\,dx\,dz\\ &+\iint_{D_1}x^2\,dx\,dy+\iint_{D_2}z^2\,dz\,dx\\ ={}&\int_0^\pi\cos^2\theta\,d\theta\int_0^1r^3\,dr +\int_0^\pi\sin^2\theta\,d\theta\int_0^1r^3\,dr\\ ={}&2\times\frac{\pi}{8}=\frac{\pi}{4}. \end{aligned}

(2+3+2+1 分)


六、(10 分)

将函数

f(x)=ln1+x1xf(x)=\ln\sqrt{\frac{1+x}{1-x}}

展开为麦克劳林级数,并写出该级数的收敛域。

解:
ln(1+x)=n=1(1)n1xnn,(1<x1),(3 分)\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}, \qquad(-1<x\leq1),\qquad\text{(3 分)}ln(1x)=n=1xnn,(1x<1).\ln(1-x)=-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}, \qquad(-1\leq x<1).

因此

f(x)=12[ln(1+x)ln(1x)]=12[n=1(1)n1xnn+n=1xnn]=12[m=1(1)2m1x2m2m+m=1(1)2m2x2m12m1+m=1x2m2m+m=1x2m12m1]=m=1x2m12m1,(1<x<1).\begin{aligned} f(x) &=\frac{1}{2}[\ln(1+x)-\ln(1-x)]\\ &=\frac{1}{2}\left[\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n} +\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}\right]\\ &=\frac{1}{2}\left[ \sum_{m=1}^{\infty}(-1)^{2m-1}\frac{x^{2m}}{2m} +\sum_{m=1}^{\infty}(-1)^{2m-2}\frac{x^{2m-1}}{2m-1} +\sum_{m=1}^{\infty}\frac{x^{2m}}{2m} +\sum_{m=1}^{\infty}\frac{x^{2m-1}}{2m-1} \right]\\ &=\sum_{m=1}^{\infty}\frac{x^{2m-1}}{2m-1}, \qquad(-1<x<1). \end{aligned}

(2+2+2+1 分)


七、(10 分)

判别下列级数的敛散性,对交错级数,需说明是绝对收敛还是条件收敛。

  1. n=11n+3+n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n+3}+\sqrt n}

  2. n=1(1)nnen\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\frac{n}{e^n}

解:

(1)

limn1n+3+n1n=limn11+1+3n=12.(2 分)\lim_{n\to\infty} \frac{\dfrac{1}{\sqrt{n+3}+\sqrt n}}{\dfrac{1}{\sqrt n}} =\lim_{n\to\infty}\frac{1}{1+\sqrt{1+\dfrac{3}{n}}} =\frac{1}{2}.\qquad\text{(2 分)}

且已知级数 n=11n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt n} 发散。(2 分)

由比较判别法的极限形式可知,级数

n=11n+3+n\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n+3}+\sqrt n}

发散。(1 分)

(2)

limnn+1en+1nen=limnn+1n1e=1e<1.(2+2 分)\lim_{n\to\infty} \left|\frac{\dfrac{n+1}{e^{n+1}}}{\dfrac{n}{e^n}}\right| =\lim_{n\to\infty}\frac{n+1}{n}\cdot\frac{1}{e} =\frac{1}{e}<1.\qquad\text{(2+2 分)}

因此交错级数

n=1(1)nnen\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\frac{n}{e^n}

绝对收敛。(1 分)


八、(10 分)

求微分方程

y+2y3y=exy''+2y'-3y=e^x

的通解。

解:

对应齐次方程 y+2y3y=0y''+2y'-3y=0 的特征方程为

r2+2r3=0.(2 分)r^2+2r-3=0.\qquad\text{(2 分)}

解得特征根

r1=1,r2=3.(2 分)r_1=1,\qquad r_2=-3.\qquad\text{(2 分)}

所以齐次方程的通解为

Y=C1ex+C2e3x.(2 分)Y=C_1e^x+C_2e^{-3x}.\qquad\text{(2 分)}

原方程的非齐次项显示 r=1r=1 是特征方程的特征根,所以设原方程的特解为

y=b0xex.(2 分)y^*=b_0xe^x.\qquad\text{(2 分)}

代入原方程得

4b0ex=ex.4b_0e^x=e^x.

所以得

b0=14.(1 分)b_0=\frac{1}{4}.\qquad\text{(1 分)}

因此原方程有一个特解 y=14xexy^*=\dfrac{1}{4}xe^x,从而原方程的通解为

y=C1ex+C2e3x+14xex,y=C_1e^x+C_2e^{-3x}+\frac{1}{4}xe^x,

y=(C1+14x)ex+C2e3x.(1 分)y=\left(C_1+\frac{1}{4}x\right)e^x+C_2e^{-3x}.\qquad\text{(1 分)}