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2024-2025学年上学期期中

2024-2025学年上学期期中试卷(含答案)​

一、填空题(20 分 = 4 分 × 5)​

  1. 已知函数 y=f(x)y=f(x) 由方程 cos⁡(xy)+ex+y=0\cos(xy)+e^{x+y}=0 确定,则微分 dy=‾dy=\underline{\qquad}。

    解:

    对方程两边求微分:

    −sin⁡(xy)(y dx+x dy)+ex+y(dx+dy)=0.-\sin(xy)(y\,dx+x\,dy)+e^{x+y}(dx+dy)=0.

    整理得

    (ex+y−xsin⁡(xy)) dy=(ysin⁡(xy)−ex+y) dx,(e^{x+y}-x\sin(xy))\,dy=(y\sin(xy)-e^{x+y})\,dx,

    因此

    dy=ysin⁡(xy)−ex+yex+y−xsin⁡(xy) dx.dy=\frac{y\sin(xy)-e^{x+y}}{e^{x+y}-x\sin(xy)}\,dx.

  2. 设 y=ln⁡(ex+1+e2x)y=\ln\left(e^x+\sqrt{1+e^{2x}}\right),则 y′(0)=‾y'(0)=\underline{\qquad}。

    解:
    y′=ex+e2x1+e2xex+1+e2x,y'=\frac{e^x+\dfrac{e^{2x}}{\sqrt{1+e^{2x}}}}{e^x+\sqrt{1+e^{2x}}},

    所以

    y′(0)=1+121+2=22.y'(0)=\frac{1+\dfrac{1}{\sqrt2}}{1+\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2}.

  3. 若 lim⁡x→1x2−ax+3x−1=b\displaystyle\lim_{x\to1}\frac{x^2-ax+3}{x-1}=b,则 a=‾a=\underline{\qquad},b=‾b=\underline{\qquad}。

    解:

    极限存在,所以分子在 x=1x=1 处为 00:

    1−a+3=0,a=4.1-a+3=0,\qquad a=4.

    此时

    x2−4x+3x−1=(x−1)(x−3)x−1=x−3,\frac{x^2-4x+3}{x-1}=\frac{(x-1)(x-3)}{x-1}=x-3,

    因此

    b=−2.b=-2.

  4. 若曲线 y=x2y=x^2 与 y=aln⁡xy=a\ln x 相切,则 a=‾a=\underline{\qquad}。

    解:

    设切点为 (x0,x02)(x_0,x_0^2),则

    x02=aln⁡x0,2x0=ax0.x_0^2=a\ln x_0,\qquad 2x_0=\frac{a}{x_0}.

    由第二式得 a=2x02a=2x_0^2。代入第一式:

    x02=2x02ln⁡x0,x_0^2=2x_0^2\ln x_0,

    故

    ln⁡x0=12,x0=e.\ln x_0=\frac12,\qquad x_0=\sqrt e.

    因此

    a=2e.a=2e.

  5. lim⁡x→01+xsin⁡x−cos⁡xcos⁡x⋅ln⁡(1+x2)=‾\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sqrt{1+x\sin x}-\cos x}{\cos x\cdot\ln(1+x^2)}=\underline{\qquad}。

    解:

    当 x→0x\to0 时,

    1+xsin⁡x=1+x22+o(x2),cos⁡x=1−x22+o(x2),\sqrt{1+x\sin x}=1+\frac{x^2}{2}+o(x^2),\qquad \cos x=1-\frac{x^2}{2}+o(x^2),

    所以分子为 x2+o(x2)x^2+o(x^2)。

    又

    cos⁡xln⁡(1+x2)=x2+o(x2),\cos x\ln(1+x^2)=x^2+o(x^2),

    因此原极限为

    1.1.

二、选择题(20 分 = 4 分 × 5)​

  1. 若函数 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 处可导,则下列式子中错误的是( )。

    A. lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0−Δx)Δx=2f′(x0)\displaystyle\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0-\Delta x)}{\Delta x}=2f'(x_0)

    B. lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=f′(x0)\displaystyle\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=f'(x_0)

    C. lim⁡t→0f(x0+t)−f(x0)t=f′(x0)\displaystyle\lim_{t\to0}\frac{f(x_0+t)-f(x_0)}{t}=f'(x_0)

    D. lim⁡Δx→0f(x0−Δx)−f(x0)Δx=f′(x0)\displaystyle\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0-\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}=f'(x_0)

    解:

    D

    令 h=−Δxh=-\Delta x,则

    lim⁡Δx→0f(x0−Δx)−f(x0)Δx=−lim⁡h→0f(x0+h)−f(x0)h=−f′(x0).\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0-\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} = -\lim_{h\to0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h} =-f'(x_0).

  2. 极限 lim⁡x→1x+x2+⋯+xn−nx−1=\displaystyle\lim_{x\to1}\frac{x+x^2+\cdots+x^n-n}{x-1}=( )。

    A. 00

    B. nn

    C. n(n−1)n(n-1)

    D. n(n+1)2\dfrac{n(n+1)}{2}

    解:

    D

    分子在 x=1x=1 处为 00,由洛必达法则:

    lim⁡x→1x+x2+⋯+xn−nx−1=1+2+⋯+n=n(n+1)2.\lim_{x\to1}\frac{x+x^2+\cdots+x^n-n}{x-1} =1+2+\cdots+n =\frac{n(n+1)}{2}.

  3. 数列极限 lim⁡n→∞(n+2−2n+1+n)=\displaystyle\lim_{n\to\infty}\left(\sqrt{n+2}-2\sqrt{n+1}+\sqrt n\right)=( )。

    A. −1-1

    B. 00

    C. 11

    D. 22

    解:

    B

    由于

    n+2−n+1→0,n+1−n→0,\sqrt{n+2}-\sqrt{n+1}\to0,\qquad \sqrt{n+1}-\sqrt n\to0,

    所以

    n+2−2n+1+n=(n+2−n+1)−(n+1−n)→0.\sqrt{n+2}-2\sqrt{n+1}+\sqrt n = (\sqrt{n+2}-\sqrt{n+1})-(\sqrt{n+1}-\sqrt n)\to0.

  4. 设方程组

    {x=2t−1,tey+y+1=0\begin{cases} x=2t-1,\\ te^y+y+1=0 \end{cases}

    确定了 yy 是 xx 的函数,则 d2ydx2∣t=0=\left.\dfrac{d^2y}{dx^2}\right|_{t=0}=( )。

    A. 1e2\dfrac{1}{e^2}

    B. 12e2\dfrac{1}{2e^2}

    C. −1e-\dfrac{1}{e}

    D. −12e-\dfrac{1}{2e}

    解:

    B

    由 tey+y+1=0te^y+y+1=0,对 tt 求导:

    ey+teydydt+dydt=0,e^y+te^y\frac{dy}{dt}+\frac{dy}{dt}=0,

    即

    dydt=−ey1+tey.\frac{dy}{dt}=-\frac{e^y}{1+te^y}.

    当 t=0t=0 时,x=−1, y=−1x=-1,\ y=-1,故

    dydt∣t=0=−1e.\left.\frac{dy}{dt}\right|_{t=0}=-\frac{1}{e}.

    继续对 tt 求导可得

    d2ydt2∣t=0=2e2.\left.\frac{d^2y}{dt^2}\right|_{t=0}=\frac{2}{e^2}.

    又 dxdt=2\dfrac{dx}{dt}=2,所以

    dydx=dy/dtdx/dt,d2ydx2=ddt(dydx)/dxdt=14d2ydt2.\frac{dy}{dx}=\frac{dy/dt}{dx/dt},\qquad \frac{d^2y}{dx^2}=\frac{d}{dt}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)\bigg/\frac{dx}{dt} =\frac{1}{4}\frac{d^2y}{dt^2}.

    因此

    d2ydx2∣t=0=12e2.\left.\frac{d^2y}{dx^2}\right|_{t=0}=\frac{1}{2e^2}.

  5. 当 x→0x\to0 时,无穷小量 1+2x−1+3x3\sqrt{1+2x}-\sqrt[3]{1+3x} 关于 xx 的阶是( )。

    A. 1

    B. 2

    C. 3

    D. 4

    解:

    B

    利用 Taylor 展开:

    1+2x=1+x−x22+o(x2),\sqrt{1+2x}=1+x-\frac{x^2}{2}+o(x^2),1+3x3=1+x−x2+o(x2).\sqrt[3]{1+3x}=1+x-x^2+o(x^2).

    因此

    1+2x−1+3x3=x22+o(x2),\sqrt{1+2x}-\sqrt[3]{1+3x}=\frac{x^2}{2}+o(x^2),

    是关于 xx 的二阶无穷小。


三、计算题(40 分 = 10 分 × 4)​

  1. 计算函数极限

    lim⁡x→0(2x−1)tan⁡x1−x2−1.\lim_{x\to0}\frac{(2^x-1)\tan x}{\sqrt{1-x^2}-1}.
    解:

    当 x→0x\to0 时,

    2x−1∼xln⁡2,tan⁡x∼x,2^x-1\sim x\ln2,\qquad \tan x\sim x,

    且

    1−x2−1∼−x22.\sqrt{1-x^2}-1\sim -\frac{x^2}{2}.

    因此

    lim⁡x→0(2x−1)tan⁡x1−x2−1=x2ln⁡2−x22=−2ln⁡2.\lim_{x\to0}\frac{(2^x-1)\tan x}{\sqrt{1-x^2}-1} = \frac{x^2\ln2}{-\dfrac{x^2}{2}} = -2\ln2.

  2. 求函数

    f(x)=lim⁡n→∞1+x1+x2nf(x)=\lim_{n\to\infty}\frac{1+x}{1+x^{2n}}

    所有的间断点及其所属类型。

    解:

    分情况讨论:

    当 ∣x∣<1|x|<1 时,x2n→0x^{2n}\to0,故

    f(x)=1+x.f(x)=1+x.

    当 ∣x∣>1|x|>1 时,x2n→+∞x^{2n}\to+\infty,故

    f(x)=0.f(x)=0.

    当 x=1x=1 时,

    f(1)=22=1.f(1)=\frac{2}{2}=1.

    当 x=−1x=-1 时,

    f(−1)=0.f(-1)=0.

    因此

    f(x)={0,x<−1,0,x=−1,1+x,−1<x<1,1,x=1,0,x>1.f(x)= \begin{cases} 0,&x<-1,\\ 0,&x=-1,\\ 1+x,&-1<x<1,\\ 1,&x=1,\\ 0,&x>1. \end{cases}

    在 x=−1x=-1 处,左右极限均为 00,且 f(−1)=0f(-1)=0,所以连续。

    在 x=1x=1 处,

    lim⁡x→1−f(x)=2,lim⁡x→1+f(x)=0,f(1)=1.\lim_{x\to1^-}f(x)=2,\qquad \lim_{x\to1^+}f(x)=0,\qquad f(1)=1.

    故唯一间断点为 x=1x=1,且为跳跃间断点。


  3. 设 f(x)=e2xsin⁡(2x+1)f(x)=e^{2x}\sin(2x+1),求 f(200)(0)f^{(200)}(0)。

    解:

    由

    e2xsin⁡(2x+1)=Im⁡(eie(2+2i)x),e^{2x}\sin(2x+1)=\operatorname{Im}\left(e^i e^{(2+2i)x}\right),

    得

    f(n)(0)=Im⁡(ei(2+2i)n).f^{(n)}(0)=\operatorname{Im}\left(e^i(2+2i)^n\right).

    又

    2+2i=22 eiπ/4,2+2i=2\sqrt2\,e^{i\pi/4},

    所以

    (2+2i)200=(22)200e50πi=(22)200.(2+2i)^{200}=(2\sqrt2)^{200}e^{50\pi i}=(2\sqrt2)^{200}.

    因此

    f(200)(0)=(22)200sin⁡1.f^{(200)}(0)=(2\sqrt2)^{200}\sin1.

  4. 已知 f(x)f(x) 是周期为 1010 的连续函数,它在 x=0x=0 的某个邻域内满足关系式

    f(1+tan⁡x)−3f(1−tan⁡x)=8x+o(x),f(1+\tan x)-3f(1-\tan x)=8x+o(x),

    且 f(x)f(x) 在 x=1x=1 处可导,求曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (11,f(11))(11,f(11)) 处的切线方程。

    解:

    令 x→0x\to0,由连续性得

    f(1)−3f(1)=0,f(1)-3f(1)=0,

    故

    f(1)=0.f(1)=0.

    将原式除以 xx,并令 x→0x\to0:

    lim⁡x→0f(1+tan⁡x)−3f(1−tan⁡x)x=8.\lim_{x\to0}\frac{f(1+\tan x)-3f(1-\tan x)}{x}=8.

    因为 tan⁡x∼x\tan x\sim x,且 ff 在 x=1x=1 处可导,所以

    f′(1)+3f′(1)=8,f'(1)+3f'(1)=8,

    即

    f′(1)=2.f'(1)=2.

    又 f(x)f(x) 的周期为 1010,故

    f(11)=f(1)=0,f′(11)=f′(1)=2.f(11)=f(1)=0,\qquad f'(11)=f'(1)=2.

    所以切线方程为

    y=2(x−11),y=2(x-11),

    即

    y=2x−22.y=2x-22.

四、证明题(20 分 = 10 分 × 2)​

  1. 设有数列 {an}\{a_n\} 满足 lim⁡n→∞an+1an=q\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}=q,且 ∣q∣<1|q|<1。证明:lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}a_n=0。

    解:

    因为

    lim⁡n→∞∣an+1an∣=∣q∣<1,\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|=|q|<1,

    取常数 rr,使得 ∣q∣<r<1|q|<r<1。由极限定义,存在 NN,当 n>Nn>N 时,

    ∣an+1an∣<r.\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|<r.

    于是对 n>Nn>N,有

    ∣an∣≤∣aN∣rn−N.|a_n|\le |a_N|r^{n-N}.

    由于 0<r<10<r<1,所以

    lim⁡n→∞∣aN∣rn−N=0.\lim_{n\to\infty}|a_N|r^{n-N}=0.

    由夹逼定理得

    lim⁡n→∞an=0.\lim_{n\to\infty}a_n=0.

  2. 设 f(x)f(x) 在 [0,1][0,1] 上连续,且 f(0)=f(1)f(0)=f(1)。证明:至少存在一点 ξ∈(0,1)\xi\in(0,1),使得

    f(ξ)=f(ξ+1n)(n≥2 为自然数).f(\xi)=f\left(\xi+\frac{1}{n}\right)\quad(n\ge2\text{ 为自然数}).
    解:

    令

    g(x)=f(x)−f(x+1n),x∈[0,1−1n].g(x)=f(x)-f\left(x+\frac{1}{n}\right),\qquad x\in\left[0,1-\frac{1}{n}\right].

    由于 f(x)f(x) 在 [0,1][0,1] 上连续,所以 g(x)g(x) 在 [0,1−1n]\left[0,1-\dfrac{1}{n}\right] 上连续。

    取分点

    0,1n,2n,⋯ ,n−1n,1.0,\frac{1}{n},\frac{2}{n},\cdots,\frac{n-1}{n},1.

    有

    ∑k=0n−1g(kn)=∑k=0n−1[f(kn)−f(k+1n)]=f(0)−f(1)=0.\sum_{k=0}^{n-1}g\left(\frac{k}{n}\right) = \sum_{k=0}^{n-1}\left[f\left(\frac{k}{n}\right)-f\left(\frac{k+1}{n}\right)\right] =f(0)-f(1)=0.

    若存在 k=1,2,⋯ ,n−1k=1,2,\cdots,n-1 使得 g(kn)=0g\left(\dfrac{k}{n}\right)=0,则取 ξ=kn\xi=\dfrac{k}{n} 即可。

    若 g(0)=0g(0)=0 且其他分点处没有零点,则由上式可知其余分点处的 gg 值不可能全同号,因此仍可找到两个相邻分点之间函数值异号。

    若这些分点处的 gg 值都不为 00,由于其和为 00,也必有两个相邻分点之间函数值异号。由连续函数的零点定理,存在 ξ∈(0,1)\xi\in(0,1),使得

    g(ξ)=0.g(\xi)=0.

    即

    f(ξ)=f(ξ+1n).f(\xi)=f\left(\xi+\frac{1}{n}\right).