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2022-2023学年下学期期中

2022-2023学年下学期期中试卷(含答案)

一、选择题(25 分,每题 5 分)

  1. limx0y0sin(xy)x+y=\displaystyle\lim_{\substack{x\to0\\y\to0}}\frac{\sin(x-y)}{x+y}=( )。

    A. 11

    B. \infty

    C. 00

    D. 不存在

    答案:

    D


  2. α=3|\boldsymbol\alpha|=3β=1|\boldsymbol\beta|=1α×β=5|\boldsymbol\alpha\times\boldsymbol\beta|=\sqrt5,则 αβ\boldsymbol\alpha\cdot\boldsymbol\beta 的值为( )。

    A. ±2\pm2

    B. 22

    C. ±5\pm\sqrt5

    D. 5\sqrt5

    答案:

    A


  3. 过点 (1,2,3)(1,2,3) 且与 xx 轴、直线

    L:x+11=y+32=z+64L:\frac{x+1}{-1}=\frac{y+3}{2}=\frac{z+6}{4}

    都相交的直线方程是( )。

    A. x12=y21=z31\dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y-2}{-1}=\dfrac{z-3}{1}

    B. x17=y24=z36\dfrac{x-1}{7}=\dfrac{y-2}{4}=\dfrac{z-3}{6}

    C. x15=y23=z364\dfrac{x-1}{5}=\dfrac{y-2}{3}=\dfrac{z-3}{\frac64}

    D. x12=y22=z31\dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y-2}{-2}=\dfrac{z-3}{1}

    答案:

    B


  4. z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 P(x0,y0)P(x_0,y_0) 处可微,则 f(x,y)f(x,y) 在点 P(x0,y0)P(x_0,y_0) 处沿任何方向的方向导数( )。

    A. 必定存在

    B. 一定不存在

    C. 可能存在,也可能不存在

    D. 仅在 xx 轴、yy 轴方向存在,其他方向不存在

    答案:

    A


  5. 判断下列积分值的大小:

    Ji=Die(x2+y2)dxdy,i=1,2,3,J_i=\iint_{D_i}e^{-(x^2+y^2)}\,dxdy,\quad i=1,2,3,

    其中

    D1={(x,y)x2+y2R2},D_1=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le R^2\}, D2={(x,y)x2+y22R2},D_2=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le2R^2\}, D3={(x,y)xR, yR},D_3=\{(x,y)\mid |x|\le R,\ |y|\le R\},

    J1,J2,J3J_1,J_2,J_3 之间的大小顺序为( )。

    A. J1J2J3J_1\le J_2\le J_3

    B. J2J3J1J_2\le J_3\le J_1

    C. J1J3J2J_1\le J_3\le J_2

    D. J3J2J1J_3\le J_2\le J_1

    答案:

    C


二、填空题(25 分,每题 5 分)

  1. u=2xyz2u=2xy-z^2uu 在点 (2,1,1)(2,-1,1) 处方向导数的最大值为 \underline{\qquad}

    答案:
    262\sqrt6

  2. 球面 x2+y2+z2=9x^2+y^2+z^2=9 在点 (2,2,1)(2,2,1) 处的切平面方程为 \underline{\qquad},法线方程为 \underline{\qquad}

    答案:
    2x+2y+z9=0,2x+2y+z-9=0,x24=y24=z12\frac{x-2}{4}=\frac{y-2}{4}=\frac{z-1}{2}

  3. z(x,y)z(x,y) 由方程

    2xz2xyz+ln(xyz)=02xz-2xyz+\ln(xyz)=0

    确定的函数,则 zx=\displaystyle\frac{\partial z}{\partial x}=\underline{\qquad}

    答案:
    zx-\frac{z}{x}

  4. DD 为圆心在原点,半径为 aa 的上半圆,则

    Da2x2y2dσ=.\iint_D\sqrt{a^2-x^2-y^2}\,d\sigma=\underline{\qquad}.
    答案:
    π3a3\frac{\pi}{3}a^3

  5. Ω:x2+y2+z2z\Omega:x^2+y^2+z^2\le z,则

    Ωx2+y2+z2dV=.\iiint_\Omega\sqrt{x^2+y^2+z^2}\,dV=\underline{\qquad}.
    答案:
    π10\frac{\pi}{10}

三、(10 分)

求经过直线

l1:{x+y+1=0,x+2y+2z=0l_1: \begin{cases} x+y+1=0,\\ x+2y+2z=0 \end{cases}

且与平面 Π:2xyz=0\Pi:2x-y-z=0 垂直的平面方程。

答案:

解法一:设所求平面 Π1\Pi_1

(x+2y+2z)+λ(x+y+1)=0,(x+2y+2z)+\lambda(x+y+1)=0,

(1+λ)x+(2+λ)y+2z+λ=0.(1+\lambda)x+(2+\lambda)y+2z+\lambda=0.

Π1Π\Pi_1\perp\Pi

2(1+λ)(2+λ)2=0λ=2,2(1+\lambda)-(2+\lambda)-2=0\Longrightarrow \lambda=2,

Π1\Pi_1

3x+4y+2z+2=0.3x+4y+2z+2=0.

解法二:因所求平面垂直于 2xyz=02x-y-z=0,故它平行于 (2,1,1)(2,-1,1),又由

{x+y+1=0,x+2y+2z=0\begin{cases} x+y+1=0,\\ x+2y+2z=0 \end{cases}

可得 l1l_1 上两点 (0,1,1)(0,-1,1)(2,1,0)(-2,1,0)。故可得平面方程

xy+1z12110(2)1110=0,\begin{vmatrix} x&y+1&z-1\\ 2&-1&1\\ 0-(-2)&-1-1&1-0 \end{vmatrix}=0,

3x+4y+2z+2=0.3x+4y+2z+2=0.

四、(10 分)

设方程组

{x+y+z+z2=0,x+y2+z+z3=0,\begin{cases} x+y+z+z^2=0,\\ x+y^2+z+z^3=0, \end{cases}

dydx\displaystyle\frac{dy}{dx}dzdx\displaystyle\frac{dz}{dx}

答案:

方程组两边同时对 xx 求导,得

{1+dydx+(1+2z)dzdx=0,1+2ydydx+(1+3z2)dzdx=0.\begin{cases} 1+\dfrac{dy}{dx}+(1+2z)\dfrac{dz}{dx}=0,\\ 1+2y\dfrac{dy}{dx}+(1+3z^2)\dfrac{dz}{dx}=0. \end{cases}

因此,

dydx=2z3z21+3z22y4yz,\frac{dy}{dx}=\frac{2z-3z^2}{1+3z^2-2y-4yz},dzdx=2y11+3z22y4yz.\frac{dz}{dx}=\frac{2y-1}{1+3z^2-2y-4yz}.

五、(10 分)

I=02dx0x22xydy+222dx08x2xydy,I=\int_0^2dx\int_0^{\frac{x^2}{2}}xy\,dy +\int_2^{2\sqrt2}dx\int_0^{\sqrt{8-x^2}}xy\,dy,

交换其积分次序并计算。

答案:

积分区域由两部分组成,如图所示,

第五题积分区域

其中

D1:{0x2,0yx22,D2:{2x22,0y8x2.D_1: \begin{cases} 0\le x\le2,\\ 0\le y\le\dfrac{x^2}{2}, \end{cases} \quad D_2: \begin{cases} 2\le x\le2\sqrt2,\\ 0\le y\le\sqrt{8-x^2}. \end{cases}

D=D1+D2D=D_1+D_2 视为 yy 型区域,则

D:{2yx8y2,0y2.D: \begin{cases} \sqrt{2y}\le x\le\sqrt{8-y^2},\\ 0\le y\le2. \end{cases}

从而

I=Dxydxdy=02dy2y8y2xydx=02y(8y22y)2dy=12(4y2y442y33)02=103.\begin{aligned} I &=\iint_Dxy\,dxdy\\ &=\int_0^2dy\int_{\sqrt{2y}}^{\sqrt{8-y^2}}xy\,dx\\ &=\int_0^2\frac{y(8-y^2-2y)}{2}\,dy\\ &=\frac12\left(4y^2-\frac{y^4}{4}-\frac{2y^3}{3}\right)\bigg|_0^2\\ &=\frac{10}{3}. \end{aligned}

六、(10 分)

求密度为 ρ=z\rho=z 的半椭球体

x2a2+y2a2+z2c21,z0\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{c^2}\le1,\quad z\ge0

的质心。

答案:

由对称性容易得到质心的坐标形式为 (0,0,zˉ)(0,0,\bar z),其中

zˉ=zρdVρdV=z2dVzdV.\bar z=\frac{\iiint z\rho\,dV}{\iiint\rho\,dV} =\frac{\iiint z^2\,dV}{\iiint z\,dV}.

利用柱面坐标系计算这两个三重积分:

zdV=02πdθ0ardr0caa2r2zdz=2π0ar12z20caa2r2dr=π0arc2a2(a2r2)dr=12πc2a20a(a2r2)d(a2r2)=12πc2a212(a2r2)20a=πa2c24.\begin{aligned} \iiint z\,dV &=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^a r\,dr \int_0^{\frac ca\sqrt{a^2-r^2}}z\,dz\\ &=2\pi\int_0^a r\cdot\frac12z^2\bigg|_0^{\frac ca\sqrt{a^2-r^2}}\,dr\\ &=\pi\int_0^a r\cdot\frac{c^2}{a^2}(a^2-r^2)\,dr\\ &=-\frac12\cdot\frac{\pi c^2}{a^2}\int_0^a(a^2-r^2)\,d(a^2-r^2)\\ &=-\frac12\cdot\frac{\pi c^2}{a^2}\cdot\frac12(a^2-r^2)^2\bigg|_0^a\\ &=\frac{\pi a^2c^2}{4}. \end{aligned}z2dV=02πdθ0ardr0caa2r2z2dz=2π0ar13z30caa2r2dr=2π30arc3a3(a2r2)32dr=122πc33a30a(a2r2)32d(a2r2)=13πc3a325(a2r2)520a=2πa2c315.\begin{aligned} \iiint z^2\,dV &=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^a r\,dr \int_0^{\frac ca\sqrt{a^2-r^2}}z^2\,dz\\ &=2\pi\int_0^a r\cdot\frac13z^3\bigg|_0^{\frac ca\sqrt{a^2-r^2}}\,dr\\ &=\frac{2\pi}{3}\int_0^a r\cdot\frac{c^3}{a^3}(a^2-r^2)^{\frac32}\,dr\\ &=-\frac12\cdot\frac{2\pi c^3}{3a^3}\int_0^a(a^2-r^2)^{\frac32}\,d(a^2-r^2)\\ &=-\frac13\cdot\frac{\pi c^3}{a^3}\cdot\frac25(a^2-r^2)^{\frac52}\bigg|_0^a\\ &=\frac{2\pi a^2c^3}{15}. \end{aligned}

于是

zˉ=2πa2c315πa2c24=8c15.\bar z=\frac{\frac{2\pi a^2c^3}{15}}{\frac{\pi a^2c^2}{4}}=\frac{8c}{15}.

故质心为

(0,0,8c15).\left(0,0,\frac{8c}{15}\right).

七、(10 分)

x2+y2+z24=1x^2+y^2+\frac{z^2}{4}=1

在第一卦限上的点,使得该点处的切平面与三个坐标平面所围的四面体的体积最小。

答案:

设点 P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0) 在曲面

x2+y2+z24=1x^2+y^2+\frac{z^2}{4}=1

上,则曲面在该点的法向量为

(2x0,2y0,z02).\left(2x_0,2y_0,\frac{z_0}{2}\right).

切平面方程为

2x0(xx0)+2y0(yy0)+z02(zz0)=0,2x_0(x-x_0)+2y_0(y-y_0)+\frac{z_0}{2}(z-z_0)=0,

x0x+y0y+z04z=1.x_0x+y_0y+\frac{z_0}{4}z=1.

容易求得平面在三个坐标轴上的截距分别为

1x0,1y0,4z0.\frac1{x_0},\quad \frac1{y_0},\quad \frac4{z_0}.

则围成的四面体体积为

13121x01y04z0=231x0y0z0.\frac13\cdot\frac12\cdot\frac1{x_0}\cdot\frac1{y_0}\cdot\frac4{z_0} = \frac23\cdot\frac1{x_0y_0z_0}.

要使得其体积最小,则 x0y0z0x_0y_0z_0 最大。问题转变为求曲面在第一卦限上的点使得该点处三个坐标乘积最大。

使用拉格朗日乘数法求该条件极值问题,拉格朗日函数为

L=xyz+λ(x2+y2+z241).L=xyz+\lambda\left(x^2+y^2+\frac{z^2}{4}-1\right).

Lx=Ly=Lz=Lλ=0L_x=L_y=L_z=L_\lambda=0,解得

x=y=13,z=23.x=y=\frac1{\sqrt3},\quad z=\frac2{\sqrt3}.

经验证可知该点处 xyzxyz 乘积最大,四面体体积最小,

Vmin=3.V_{\min}=\sqrt3.