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2021-2022学年下学期期末

2021-2022学年下学期期末试卷(A)(含答案)

一、选择题(20 分,每小题 4 分)

  1. 设直线

    L1:x11=y52=z+81L_1:\frac{x-1}{1}=\frac{y-5}{-2}=\frac{z+8}{1}

    与直线

    L2:{xy=6,2y+z=3,L_2: \begin{cases} x-y=6,\\ 2y+z=3, \end{cases}

    L1L_1L2L_2 的夹角为 \underline{\qquad}

    A. π6\dfrac{\pi}{6}

    B. π4\dfrac{\pi}{4}

    C. π3\dfrac{\pi}{3}

    D. π2\dfrac{\pi}{2}

    答案:

    C


  2. 函数

    f(x,y)={xyx2+y2,(x,y)(0,0),0,(x,y)=(0,0)f(x,y)= \begin{cases} \dfrac{xy}{x^2+y^2},&(x,y)\ne(0,0),\\ 0,&(x,y)=(0,0) \end{cases}

    在点 (0,0)(0,0)\underline{\qquad}

    A. 连续,偏导数存在

    B. 连续,偏导数不存在

    C. 不连续,偏导数存在

    D. 不连续,偏导数不存在

    答案:

    C


  3. 设级数 n=1un\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}u_n 收敛,则必收敛的级数为 \underline{\qquad}

    A. n=1(1)nunn\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\dfrac{u_n}{n}

    B. n=1nun2\displaystyle\sum_{n=1}^{n}u_n^2

    C. n=1(u2n1u2n)\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(u_{2n-1}-u_{2n})

    D. n=1(un+un+1)\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(u_n+u_{n+1})

    答案:

    C


  4. L1:x2+y2=1L_1:x^2+y^2=1L2:x2+y2=2L_2:x^2+y^2=2L3:x2+2y2=2L_3:x^2+2y^2=2L4:2x2+y2=2L_4:2x^2+y^2=2 为四条逆时针方向的平面曲线,记

    Ii=Li(y+y36)dx+(2xx33)dy,I_i=\oint_{L_i}\left(y+\frac{y^3}{6}\right)dx+\left(2x-\frac{x^3}{3}\right)dy,

    max{I1,I2,I3,I4}=\max\{I_1,I_2,I_3,I_4\}=\underline{\qquad}

    A. I1I_1

    B. I2I_2

    C. I3I_3

    D. I4I_4

    答案:

    D


  5. 设函数 f(x)f(x) 具有二阶连续导数,且 f(x)>0f(x)>0f(0)=0f'(0)=0,则函数

    z=f(x)lnf(y)z=f(x)\ln f(y)

    在点 (0,0)(0,0) 处取得极小值的一个充分条件:\underline{\qquad}

    A. f(0)>1, f(0)>0f(0)>1,\ f''(0)>0

    B. f(0)>1, f(0)<0f(0)>1,\ f''(0)<0

    C. f(0)<1, f(0)>0f(0)<1,\ f''(0)>0

    D. f(0)<1, f(0)<0f(0)<1,\ f''(0)<0

    答案:

    A


二、填空题(20 分,每小题 4 分)

  1. f(u,v)f(u,v) 可微,z=f(xy,yx)z=f(x^y,y^x),则

    zx=.\frac{\partial z}{\partial x}=\underline{\qquad}.
    答案:
    f1yxy1+f2yxlnyf_1yx^{y-1}+f_2y^x\ln y

  2. LL 为椭圆

    x24+y23=1,\frac{x^2}{4}+\frac{y^2}{3}=1,

    将其周长记为 aa,则

    L(2xy+3x2+4y2)ds=.\oint_L(2xy+3x^2+4y^2)\,ds=\underline{\qquad}.
    答案:
    12a12a

  3. s(x)s(x) 为函数 f(x)=πx, x[0,π)f(x)=\pi-x,\ x\in[0,\pi) 的正弦级数的和函数,则

    s(π2)=.s\left(-\frac{\pi}{2}\right)=\underline{\qquad}.
    答案:
    π2-\frac{\pi}{2}

  4. u=u(x,y,z)u=u(x,y,z) 具有二阶连续偏导数,则

    rot(gradu)=.\operatorname{rot}(\operatorname{grad}u)=\underline{\qquad}.
    答案:
    00

  5. 微分方程

    yxy=a(y2+y)y'-xy'=a(y^2+y')

    的通解为 \underline{\qquad}

    答案:
    y=1aln1xa+Cy=\frac{1}{a\ln|1-x-a|+C}

三、(6 分)

n\mathbf n 是曲面

2x2+3y2+z2=62x^2+3y^2+z^2=6

在点 P(1,1,1)P(1,1,1) 处的指向外侧的法向量,求函数

u=6x2+8y2zu=\frac{\sqrt{6x^2+8y^2}}{z}

在点 PP 处沿方向 n\mathbf n 的方向导数。

答案:

求方向向量 n0\mathbf n^0:令

F(x,y,z)=2x2+3y2+z26,F(x,y,z)=2x^2+3y^2+z^2-6,

n=(Fx,Fy,Fz)P=(4x,6y,2z)(1,1,1)=(4,6,2).\mathbf n=(F_x,F_y,F_z)_P=(4x,6y,2z)_{(1,1,1)}=(4,6,2).

于是可以求得

n0=(214,314,114).\mathbf n^0=\left(\frac2{\sqrt{14}},\frac3{\sqrt{14}},\frac1{\sqrt{14}}\right).

再求梯度函数 uuPP 点的梯度,简记作 g\mathbf g

g=graduP=(ux,uy,uz)P=(6xz6x2+8y2,8yz6x2+8y2,6x2+8y2z2)(1,1,1)=(614,814,14).\begin{aligned} \mathbf g &=\operatorname{grad}u|_P=(u_x,u_y,u_z)_P\\ &= \left( \frac{6x}{z\sqrt{6x^2+8y^2}}, \frac{8y}{z\sqrt{6x^2+8y^2}}, -\frac{\sqrt{6x^2+8y^2}}{z^2} \right)_{(1,1,1)}\\ &= \left(\frac6{\sqrt{14}},\frac8{\sqrt{14}},-\sqrt{14}\right). \end{aligned}

最终可得

unP=gn0=117.\left.\frac{\partial u}{\partial n}\right|_P =\mathbf g\cdot\mathbf n^0 =\frac{11}{7}.

四、(6 分)

Ω\Omega 由平面曲线

{z=x2,y=0\begin{cases} z=x^2,\\ y=0 \end{cases}

zz 轴旋转所形成的曲面与平面 z=1z=1 围成,求

Ωzx2+y2dV.\iiint_\Omega z\sqrt{x^2+y^2}\,dV.
答案:

根据 Ω\Omega 的形状,设

D:x2+y21,D:x^2+y^2\leq1,

所求三重积分可以化为累次积分,并进一步化为二重积分:

原式=Ddxdyx2+y21zx2+y2dz=12D(1(x2+y2)2)x2+y2dxdy.\begin{aligned} \text{原式} &= \iint_D dx\,dy \int_{x^2+y^2}^{1}z\sqrt{x^2+y^2}\,dz\\ &= \frac12 \iint_D(1-(x^2+y^2)^2)\sqrt{x^2+y^2}\,dx\,dy. \end{aligned}

记后一个二重积分为 II,根据 DD 的形状,利用极坐标求解:

I=02πdθ01(1ρ4)ρ2dρ=02πdθ01(1ρ4)ρ2dρ=2π(ρ33ρ77)01=821π.\begin{aligned} I &= \int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1(1-\rho^4)\rho^2\,d\rho\\ &= \int_0^{2\pi}d\theta\cdot\int_0^1(1-\rho^4)\rho^2\,d\rho\\ &= 2\pi\cdot\left(\frac{\rho^3}{3}-\frac{\rho^7}{7}\right)\Big|_0^1\\ &= \frac{8}{21}\pi. \end{aligned}

综上可得,原式

=421π.=\frac{4}{21}\pi.

五、(8 分)

已知 LL 是第一象限中从点 (0,0)(0,0) 沿着圆周 x2+y2=2xx^2+y^2=2x 到点 (2,0)(2,0),再沿圆周 x2+y2=4x^2+y^2=4 到点 (0,2)(0,2) 的曲线段,计算

L3x2ydx+(x3+x2y)dy.\int_L3x^2y\,dx+(x^3+x-2y)\,dy.
答案:

添加有向线段 L:x=0, y:20L':x=0,\ y:2\to0,则有

原式=L+LL.\text{原式}=\oint_{L+L'}-\int_{L'}.

DDLLLL' 围成的区域,由格林公式得

L+L3x2ydx+(x3+x2y)dy=Ddσ=14π2212π12=π2.\oint_{L+L'}3x^2y\,dx+(x^3+x-2y)\,dy = \iint_D d\sigma = \frac14\pi\cdot2^2-\frac12\pi\cdot1^2 = \frac{\pi}{2}.

由线段 LL' 的定义可知,x=0, dx=0x=0,\ dx=0,于是有

L3x2ydx+(x3+x2y)dy=20(2y)dy=y220=4.\int_{L'}3x^2y\,dx+(x^3+x-2y)\,dy = \int_2^0(-2y)\,dy = -y^2\Big|_2^0 = -4.

综上可得,原式

=π24.=\frac{\pi}{2}-4.

六、(10 分)

求函数

f(x,y)=x2+2y2x2y2f(x,y)=x^2+2y^2-x^2y^2

在闭区域

D={(x,y):x2+y24, y0}D=\{(x,y):x^2+y^2\leq4,\ y\geq0\}

上的最大值和最小值。

答案:

首先,计算开区域内的极值点,解方程

{fx=2x2xy2=0,fy=4y2x2y=0,\begin{cases} f_x=2x-2xy^2=0,\\ f_y=4y-2x^2y=0, \end{cases}

得极值点为 (±2,1)(\pm\sqrt2,1),其函数值均为 22

其次,计算边界上的最大值和最小值:在边界 y=0, 2x2y=0,\ -2\leq x\leq2 上,最大值为 44,最小值为 00。对边界 x2+y2=4, 2<x<2x^2+y^2=4,\ -2<x<2,构造拉格朗日函数

L(x,y)=x2+2y2x2y2+λ(x2+y24).L(x,y)=x^2+2y^2-x^2y^2+\lambda(x^2+y^2-4).

解方程组

{Lx=2x2xy2+2λx=0,Ly=4y2x2y+2λy=0,Lλ=x2+y24=0,\begin{cases} L_x=2x-2xy^2+2\lambda x=0,\\ L_y=4y-2x^2y+2\lambda y=0,\\ L_\lambda=x^2+y^2-4=0, \end{cases}

(x,y)=(0,2)(x,y)=(±52,32),(x,y)=(0,2)\quad\text{或}\quad (x,y)=\left(\pm\sqrt{\frac52},\sqrt{\frac32}\right),

其对应的函数值为 8874\dfrac74。通过比较可以得出最大值为 88,最小值为 00


七、(10 分)

若向量场 f\mathbf f 存在标量场 uu 使得 gradu=f\operatorname{grad}u=\mathbf f,则称 f\mathbf f 为有势场而 uu 为其势。试证明:场

f=(yz(2x+y+z), zx(x+2y+z), xy(x+y+2z))\mathbf f=\bigl(yz(2x+y+z),\ zx(x+2y+z),\ xy(x+y+2z)\bigr)

是有势场,并求这个场的势。

答案:

P=yz(2x+y+z),Q=zx(x+2y+z),R=xy(x+y+2z),P=yz(2x+y+z),\quad Q=zx(x+2y+z),\quad R=xy(x+y+2z),

需要证明存在 uu 使得

ux=P,uy=Q,uz=R.\frac{\partial u}{\partial x}=P,\quad \frac{\partial u}{\partial y}=Q,\quad \frac{\partial u}{\partial z}=R.

由于 P,Q,RP,Q,R 均连续,因而只需证明存在 uu 使得

du=Pdx+Qdy+Rdz.du=P\,dx+Q\,dy+R\,dz.

由如下关系即可证明 uu 的存在性:

Qx=Py=2xz+2yz+z2,\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y} = 2xz+2yz+z^2,Ry=Qz=x2+2xy+2xz,\frac{\partial R}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial z} = x^2+2xy+2xz,Pz=Rx=2xy+y2+2yz.\frac{\partial P}{\partial z} = \frac{\partial R}{\partial x} = 2xy+y^2+2yz.

利用第二型曲线积分和特殊路径法求得 uu

u(x,y,z)=(0,0,0)(x,y,z)Pdx+Qdy+Rdz+C=(0,0,0)(x,0,0)+(x,0,0)(x,y,0)+(x,y,0)(x,y,z)+C.\begin{aligned} u(x,y,z) &= \int_{(0,0,0)}^{(x,y,z)}P\,dx+Q\,dy+R\,dz+C\\ &= \int_{(0,0,0)}^{(x,0,0)} + \int_{(x,0,0)}^{(x,y,0)} + \int_{(x,y,0)}^{(x,y,z)} +C. \end{aligned}

容易得到

(0,0,0)(x,0,0)=0,(x,0,0)(x,y,0)=0,\int_{(0,0,0)}^{(x,0,0)}=0,\quad \int_{(x,0,0)}^{(x,y,0)}=0,

故有

u(x,y,z)=(x,y,0)(x,y,z)Rdz+C=x2yz+xy2z+xyz2+C.u(x,y,z)=\int_{(x,y,0)}^{(x,y,z)}R\,dz+C=x^2yz+xy^2z+xyz^2+C.

八、(10 分)

设函数 f(x)f(x)(0,+)(0,+\infty) 内具有连续的一阶导数。若对半空间 x>0x>0 内任意的光滑有向封闭曲面 Σ\Sigma,都有

Σxf(x)dydzxyf(x)dzdxe2xzdxdy=0,\oiint_\Sigma xf(x)\,dy\,dz-xyf(x)\,dz\,dx-e^{2x}z\,dx\,dy=0,

f(x)f(x)

答案:

由高斯公式可知,对任意光滑有向封闭曲面围成的闭区域 Ω\Omega,有

Ω(xf+fxfe2x)dV=0.\iiint_\Omega (xf'+f-xf-e^{2x})\,dV=0.

Σ\Sigma 的任意性和 f,ff,f' 的连续性可知

xf+fxfe2x=0,x>0.xf'+f-xf-e^{2x}=0,\quad x>0.

解一阶线性非齐次微分方程

f+1xxf=e2xx.f'+\frac{1-x}{x}f=\frac{e^{2x}}{x}.

f(x)=ex1xdx(e2xxe1xxdxdx+C)=exx(ex+C).f(x) = e^{\int\frac{x-1}{x}\,dx} \left( \int\frac{e^{2x}}{x}\cdot e^{\int\frac{1-x}{x}\,dx}\,dx+C \right) = \frac{e^x}{x}(e^x+C).

九、(10 分)

求级数

n=0(1)n(n2n+1)2n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n(n^2-n+1)}{2^n}

的和。

答案:

考察幂级数

n=0(n2n+1)xn.\sum_{n=0}^{\infty}(n^2-n+1)x^n.

limn(n+1)2(n+1)+1n2n+1=1,\lim_{n\to\infty} \left| \frac{(n+1)^2-(n+1)+1}{n^2-n+1} \right| =1,

可知该幂级数的收敛半径为 11,并令其在收敛半径中的和函数为 s(x)s(x),则

原式=s(12).\text{原式}=s\left(-\frac12\right).

接下来求 s(x)s(x)

s(x)=n=0(n2n)xn+n=0xn=x2n=2n(n1)xn2+11x.\begin{aligned} s(x) &= \sum_{n=0}^{\infty}(n^2-n)x^n+\sum_{n=0}^{\infty}x^n\\ &= x^2\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2} +\frac1{1-x}. \end{aligned}

s~(x)=n=2n(n1)xn2.\widetilde s(x)=\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2}.

接下来求 s~(x)\widetilde s(x)

s~(x)=(0x(0xs~(x)dx)dx)=(0x(0xn=2n(n1)xn2dx)dx)=(0xn=2nxn1dx)=(n=2xn)=(11x1x)=2(1x)3.\begin{aligned} \widetilde s(x) &= \left( \int_0^x\left(\int_0^x\widetilde s(x)\,dx\right)dx \right)''\\ &= \left( \int_0^x\left(\int_0^x\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2}\,dx\right)dx \right)''\\ &= \left( \int_0^x\sum_{n=2}^{\infty}nx^{n-1}\,dx \right)''\\ &= \left( \sum_{n=2}^{\infty}x^n \right)''\\ &= \left( \frac1{1-x}-1-x \right)''\\ &= \frac{2}{(1-x)^3}. \end{aligned}

故有

s(x)=2x2(1x)3+11x,x(1,1).s(x)=\frac{2x^2}{(1-x)^3}+\frac1{1-x},\quad x\in(-1,1).

则原式

=427+23=2227.=\frac4{27}+\frac23=\frac{22}{27}.

2021-2022学年下学期期末试卷(B)(含答案)

一、选择题(20 分,每小题 5 分)

  1. 过点 (0,2,4)(0,2,4) 且与两平面 Π1:x+2z=1\Pi_1:x+2z=1Π2:y3z=2\Pi_2:y-3z=2 都平行的直线方程为 \underline{\qquad}

    A. x2=y33=z41\dfrac{x}{2}=\dfrac{y-3}{3}=\dfrac{z-4}{1}

    B. x2=y23=z41\dfrac{x}{-2}=\dfrac{y-2}{3}=\dfrac{z-4}{1}

    C. x2=y23=z40\dfrac{x}{-2}=\dfrac{y-2}{3}=\dfrac{z-4}{0}

    D. x2=y23=z21\dfrac{x}{-2}=\dfrac{y-2}{3}=\dfrac{z-2}{1}

    答案:

    B


  2. f(x,y)f(x,y) 是有界闭区域 D:x2+y2a2D:x^2+y^2\le a^2 上的连续函数,则当 a0a\to0 时,

    1πa2Df(x,y)dσ\frac{1}{\pi a^2}\iint_D f(x,y)\,d\sigma

    的极限是 \underline{\qquad}

    A. 不存在

    B. 等于 f(0,0)f(0,0)

    C. 等于 f(1,1)f(1,1)

    D. 等于 f(1,0)f(1,0)

    答案:

    B


  3. 曲面积分

    Σz2dxdy\iint_\Sigma z^2\,dxdy

    在数值上等于 \underline{\qquad}

    A. 面密度为 z3z^3 的曲面 Σ\Sigma 的质量

    B. 向量 z2iz^2\mathbf i 穿过曲面 Σ\Sigma 的流量

    C. 向量 z2jz^2\mathbf j 穿过曲面 Σ\Sigma 的流量

    D. 向量 z2kz^2\mathbf k 穿过曲面 Σ\Sigma 的流量

    答案:

    D


  4. 微分方程

    2(xy+x)y=y2(xy+x)y'=y

    的解为 \underline{\qquad}

    A. y2e2y=cxy^2e^{2y}=cx

    B. y2e2y=xy^2e^{2y}=x

    C. y2e2y=cxy^2e^{-2y}=cx

    D. y2e2y=cxy^{-2}e^{2y}=cx

    答案:

    A


二、填空题(20 分,每小题 5 分)

  1. f(x,y,z)=xsin(yz)f(x,y,z)=x\sin(yz),则在点 (1,3,0)(1,3,0) 沿方向

    l=i+2jk\vec l=\vec i+2\vec j-\vec k

    的方向导数是 \underline{\qquad}

    答案:
    62-\frac{\sqrt6}{2}

  2. 曲线

    {x2+y2+z23x=0,2x3y+5z4=0\begin{cases} x^2+y^2+z^2-3x=0,\\ 2x-3y+5z-4=0 \end{cases}

    在点 (1,1,1)(1,1,1) 的法平面方程为 \underline{\qquad}

    答案:
    16x+9yz24=016x+9y-z-24=0

  3. CC 为顺时针沿圆周 x2+y2=2x^2+y^2=2 在第一象限中的部分,则

    Cxdy2ydx=.\int_C x\,dy-2y\,dx=\underline{\qquad}.
    答案:
    3π2-\frac{3\pi}{2}

  4. 幂级数

    n=0(2n)!(n!)2x2n\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(2n)!}{(n!)^2}x^{2n}

    的收敛半径是 \underline{\qquad}

    答案:
    12\frac12

三、(10 分)

试在曲线

{z=x2+y2,z=2\begin{cases} z=x^2+y^2,\\ z=2 \end{cases}

上求一点,使过该点的切线与直线

l:{x+y2=0,2yz=0l: \begin{cases} x+y-2=0,\\ 2y-z=0 \end{cases}

相交。

答案:

将曲线的一般式方程改写成参数方程

{x=2cosθ,y=2sinθ,z=2.\begin{cases} x=\sqrt2\cos\theta,\\ y=\sqrt2\sin\theta,\\ z=2. \end{cases}

则曲线在任意点 M(x,y,z)M(x,y,z) 处的切向量为

s=(2sinθ,2cosθ,0).\mathbf s=(-\sqrt2\sin\theta,\sqrt2\cos\theta,0).

直线 ll 的方向向量

v(1,1,0)×(0,2,1)=(1,1,2),\mathbf v\parallel(1,1,0)\times(0,2,-1)=(-1,1,2),

就取 v=(1,1,2)\mathbf v=(-1,1,2)。在直线 ll 上任取一点 M0(0,2,4)M_0(0,2,4),因为直线和切线相交,故 M0M\overrightarrow{M_0M}s\mathbf sv\mathbf v 共面,混合积 (s,v,M0M)=0(\mathbf s,\mathbf v,\overrightarrow{M_0M})=0,得

2cosθ2sinθ222sinθ2cosθ0112=0.\begin{vmatrix} \sqrt2\cos\theta&\sqrt2\sin\theta-2&-2\\ -\sqrt2\sin\theta&\sqrt2\cos\theta&0\\ -1&1&2 \end{vmatrix} =0.

解得 θ=π4\theta=\dfrac{\pi}{4},所求点为 (1,1,2)(1,1,2)


四、(10 分)

计算

I=Dx2+y22dσ,I=\iint_D|x^2+y^2-2|\,d\sigma,

其中 D:x2+y29D:x^2+y^2\le9

答案:

用极坐标。为化去绝对值,作以原点为圆心、2\sqrt2 为半径的圆域 D1D_1,大小两圆围成的区域用 D2D_2 表示,则 D=D1+D2D=D_1+D_2

D1:0θ2π, 0r2,D_1:0\le\theta\le2\pi,\ 0\le r\le\sqrt2,D2:0θ2π, 2r3.D_2:0\le\theta\le2\pi,\ \sqrt2\le r\le3.I=D1(2x2y2)dσ+D2(x2+y22)dσ=02πdθ02(2r2)rdr+02πdθ23(r22)rdr=2π(r2r44)02+2π(r44r2)23=2π+2π494=53π2.\begin{aligned} I &=\iint_{D_1}(2-x^2-y^2)\,d\sigma+\iint_{D_2}(x^2+y^2-2)\,d\sigma\\ &=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^{\sqrt2}(2-r^2)r\,dr +\int_0^{2\pi}d\theta\int_{\sqrt2}^{3}(r^2-2)r\,dr\\ &=2\pi\left(r^2-\frac{r^4}{4}\right)\bigg|_0^{\sqrt2} +2\pi\left(\frac{r^4}{4}-r^2\right)\bigg|_{\sqrt2}^{3}\\ &=2\pi+2\pi\cdot\frac{49}{4}\\ &=\frac{53\pi}{2}. \end{aligned}

五、(10 分)

计算

Ωln(1+x2+y2)x2+y2dV,\iiint_\Omega\frac{\ln(1+\sqrt{x^2+y^2})}{x^2+y^2}\,dV,

Ω\Omega 由曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 围成。

答案:

根据积分区域及被积函数形式选柱面坐标。由曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2},得 x2+y21x^2+y^2\le1,所以

Ω:0θ2π,0r1,r2zr.\Omega:0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le r\le1,\quad r^2\le z\le r.Ωln(1+x2+y2)x2+y2dV=02πdθ01drr2rln(1+r)r2rdz=2π01(1r)ln(1+r)dr=π(4ln252).\begin{aligned} \iiint_\Omega\frac{\ln(1+\sqrt{x^2+y^2})}{x^2+y^2}\,dV &=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1dr\int_{r^2}^{r}\frac{\ln(1+r)}{r^2}r\,dz\\ &=2\pi\int_0^1(1-r)\ln(1+r)\,dr\\ &=\pi\left(4\ln2-\frac52\right). \end{aligned}

六、(10 分)

CC 为沿 x2+y2=a2x^2+y^2=a^2 从点 (0,a)(0,a) 依逆时针到点 (0,a)(0,-a) 的半圆,计算

Cy2a2+x2dx+[ax+2yln(x+a2+x2)]dy.\int_C\frac{y^2}{\sqrt{a^2+x^2}}\,dx+ \left[ax+2y\ln\left(x+\sqrt{a^2+x^2}\right)\right]dy.
答案:

添加辅助线 CC':沿 yy 轴从点 (0,a)(0,-a) 到点 (0,a)(0,a)。设由 CCCC' 所围区域为 DD。利用格林公式,

原式=CCC=D(a+2ya2+x22ya2+x2)dxdyaa2ylnady=12πa3.\begin{aligned} \text{原式} &=\int_{C\cup C'}-\int_{C'}\\ &=\iint_D\left( a+\frac{2y}{\sqrt{a^2+x^2}}-\frac{2y}{\sqrt{a^2+x^2}} \right)\,dxdy -\int_{-a}^{a}2y\ln a\,dy\\ &=\frac12\pi a^3. \end{aligned}

七、(10 分)

计算

I=Σ(x+y2+z3)dydz,I=\oiint_\Sigma(x+y^2+z^3)\,dydz,

Σ\Sigma 是球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2,取外侧。

答案:

Σ\Sigma 关于 yOzyOz 平面对称,y2,z3y^2,z^3 关于 xx 都是偶函数,所以

Σ(y2+z3)dydz=0.\oiint_\Sigma(y^2+z^3)\,dydz=0.

Σ1\Sigma_1Σ\Sigmax0x\ge0 的部分,DyzD_{yz}Σ1\Sigma_1yOzyOz 上的投影,根据对称性,有

Σ(x+y2+z3)dydz=2Σ1xdydz=2DyzR2y2z2dydz=202πdθ0RR2r2rdr=43πR3.\begin{aligned} \oiint_\Sigma(x+y^2+z^3)\,dydz &=2\oiint_{\Sigma_1}x\,dydz\\ &=2\iint_{D_{yz}}\sqrt{R^2-y^2-z^2}\,dydz\\ &=2\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^R\sqrt{R^2-r^2}\,r\,dr\\ &=\frac43\pi R^3. \end{aligned}

八、(10 分)

讨论级数

n=1nxn1(x>0)\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}\quad(x>0)

的敛散性。

答案:

因为

limnun+1un=limn(n+1)xnnxn1=x.\lim_{n\to\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n} =\lim_{n\to\infty}\frac{(n+1)x^n}{nx^{n-1}}=x.

所以当 0<x<10<x<1 时,级数收敛;当 x>1x>1 时,级数发散;当 x=1x=1 时,级数发散。