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2017-2018学年下学期期中

2017-2018学年下学期期中试卷(A)(含答案)​

一、填空题(每题 4 分,共计 20 分)​

  1. 过点 (2,0,−3)(2,0,-3),且与直线

    {x−2y+4z−7=0,3x+5y−2z+1=0\begin{cases} x-2y+4z-7=0,\\ 3x+5y-2z+1=0 \end{cases}

    垂直的平面方程为 ‾\underline{\qquad}。

    答案:
    16x−14y−11z−65=016x-14y-11z-65=0

  2. 设 f(u,v)f(u,v) 是二元可微函数,z=f(xy,yx)z=f(x^y,y^x),则 ∂z∂x=‾\displaystyle\frac{\partial z}{\partial x}=\underline{\qquad}。

    答案:
    ∂z∂x=f1yxy−1+f2yxln⁡y\frac{\partial z}{\partial x}=f_1yx^{y-1}+f_2y^x\ln y

  3. 已知 f(2x+y,x−2y)=25(x2+y2)+φ(x−2y)f(2x+y,x-2y)=25(x^2+y^2)+\varphi(x-2y),且 f(1,y)=y2f(1,y)=y^2,则 f(x,y)f(x,y) 在点 (1,1)(1,1) 处的全微分为 df∣(1,1)=‾df|_{(1,1)}=\underline{\qquad}。

    答案:
    df∣(1,1)=10 dx+2 dydf|_{(1,1)}=10\,dx+2\,dy

  4. 交换积分次序:

    ∫01dy∫y2−y2f(x,y) dx=‾.\int_0^1 dy\int_{\sqrt{y}}^{\sqrt{2-y^2}}f(x,y)\,dx=\underline{\qquad}.
    答案:
    ∫12dx∫02−x2f(x,y) dy+∫01dx∫0x2f(x,y) dy\int_1^{\sqrt2}dx\int_0^{\sqrt{2-x^2}}f(x,y)\,dy +\int_0^1dx\int_0^{x^2}f(x,y)\,dy

  5. 计算 div⁡grad⁡(x3+ey+cos⁡z)=‾\operatorname{div}\operatorname{grad}(x^3+e^y+\cos z)=\underline{\qquad}。

    答案:
    6x+ey−cos⁡z6x+e^y-\cos z

二、选择题(每题 3 分,共计 15 分)​

  1. 设 a⃗,b⃗\vec a,\vec b 为不共线向量,则以下各式成立的是( )。

    A. a⃗ 2b⃗ 2=(a⃗⋅b⃗)2\vec a^{\,2}\vec b^{\,2}=(\vec a\cdot\vec b)^2

    B. a⃗ 2×b⃗ 2=(a⃗×b⃗)2\vec a^{\,2}\times\vec b^{\,2}=(\vec a\times\vec b)^2

    C. (a⃗⋅b⃗)2=(a⃗×b⃗)2(\vec a\cdot\vec b)^2=(\vec a\times\vec b)^2

    D. (a⃗⋅b⃗)2+(a⃗×b⃗)2=a⃗ 2b⃗ 2(\vec a\cdot\vec b)^2+(\vec a\times\vec b)^2=\vec a^{\,2}\vec b^{\,2}

    答案:

    D


  2. 考虑二元函数 f(x,y)f(x,y) 的下面 4 条性质:①函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处连续;②函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处两个偏导数连续;③函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处可微;④函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处两个偏导数存在。则下面结论正确的是( )。

    A. ②⇒\Rightarrow③⇒\Rightarrow①

    B. ③⇒\Rightarrow②⇒\Rightarrow①

    C. ③⇒\Rightarrow④⇒\Rightarrow①

    D. ③⇒\Rightarrow①⇒\Rightarrow④

    答案:

    A


  3. 设 f(x,y)f(x,y) 与 φ(x,y)\varphi(x,y) 均为可微函数,且 φy′(x,y)≠0\varphi'_y(x,y)\ne 0,已知 (x0,y0)(x_0,y_0) 是 f(x,y)f(x,y) 在约束条件 φ(x,y)=0\varphi(x,y)=0 下的一个极值点,下列选项正确的是( )。

    A. 若 fx′(x0,y0)=0f'_x(x_0,y_0)=0,则 fy′(x0,y0)=0f'_y(x_0,y_0)=0

    B. 若 fx′(x0,y0)=0f'_x(x_0,y_0)=0,则 fy′(x0,y0)≠0f'_y(x_0,y_0)\ne 0

    C. 若 fx′(x0,y0)≠0f'_x(x_0,y_0)\ne 0,则 fy′(x0,y0)=0f'_y(x_0,y_0)=0

    D. 若 fx′(x0,y0)≠0f'_x(x_0,y_0)\ne 0,则 fy′(x0,y0)≠0f'_y(x_0,y_0)\ne 0

    答案:

    D


  4. 设 φ(x)\varphi(x) 为区间 [0,1][0,1] 上的正值连续函数,aa 与 bb 为任意常数,积分区域 D={(x,y)∣0≤x,y≤1}D=\{(x,y)\mid 0\le x,y\le 1\},则

    ∬Daφ(x)+bφ(y)φ(x)+φ(y) dσ=\iint_D\frac{a\varphi(x)+b\varphi(y)}{\varphi(x)+\varphi(y)}\,d\sigma=

    ( )。

    A. a+ba+b

    B. a−ba-b

    C. a+b2\displaystyle\frac{a+b}{2}

    D. a−b2\displaystyle\frac{a-b}{2}

    答案:

    C


  5. 设二元函数 f(x,y)f(x,y) 具有一阶连续偏导数,曲线 L:f(x,y)=1L:f(x,y)=1 过第二象限内的点 MM 和第四象限内的点 NN,Γ\Gamma 为 LL 上从点 MM 到 NN 的一段弧,则下列积分值一定为负值的是( )。

    A. ∫Γf(x,y) ds\displaystyle\int_\Gamma f(x,y)\,ds

    B. ∫Γf(x,y) dx\displaystyle\int_\Gamma f(x,y)\,dx

    C. ∫Γf(x,y) dy\displaystyle\int_\Gamma f(x,y)\,dy

    D. ∫Γfx(x,y) dx+fy(x,y) dy\displaystyle\int_\Gamma f_x(x,y)\,dx+f_y(x,y)\,dy

    答案:

    C


三、计算题(每题 10 分,共计 60 分)​

  1. 求两曲面 x+2y=1x+2y=1 和 x2+2y2+z2=1x^2+2y^2+z^2=1 的交线上距原点最近的点。

    答案:

    原点到 P(x,y,z)P(x,y,z) 的距离为

    d=x2+y2+z2.d=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.

    (2 分)

    只需求 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 的最小值,建立拉格朗日函数:

    L=x2+y2+z2+λ1(x+2y−1)+λ2(x2+2y2+z2−1).L=x^2+y^2+z^2+\lambda_1(x+2y-1)+\lambda_2(x^2+2y^2+z^2-1).

    (4 分)

    解方程组

    {Lx=2x+λ1+2xλ2=0,Ly=2y+2λ1+4yλ2=0,Lz=2z+2zλ2=0,Lλ1=x+2y−1=0,Lλ2=x2+2y2+z2−1=0,\begin{cases} L_x=2x+\lambda_1+2x\lambda_2=0,\\ L_y=2y+2\lambda_1+4y\lambda_2=0,\\ L_z=2z+2z\lambda_2=0,\\ L_{\lambda_1}=x+2y-1=0,\\ L_{\lambda_2}=x^2+2y^2+z^2-1=0, \end{cases}

    (6 分)

    得

    x=1,y=0,z=0,x=1,\quad y=0,\quad z=0,

    (7 分)

    或

    x=−13,y=23,z=0.x=-\frac13,\quad y=\frac23,\quad z=0.

    (8 分)

    故最小距离为

    d=19+49+0=53,d=\sqrt{\frac19+\frac49+0}=\frac{\sqrt5}{3},

    距原点最近的点为

    (−13,23,0).\left(-\frac13,\frac23,0\right).

    (10 分)


  2. 设二元函数

    f(x,y)={x2,∣x∣+∣y∣≤1,1x2+y2,1<∣x∣+∣y∣≤2,f(x,y)= \begin{cases} x^2, & |x|+|y|\le 1,\\ \dfrac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}, & 1<|x|+|y|\le 2, \end{cases}

    计算二重积分 ∬Df(x,y) dσ\displaystyle\iint_D f(x,y)\,d\sigma 的值,其中

    D={(x,y)∣∣x∣+∣y∣≤2}.D=\{(x,y)\mid |x|+|y|\le 2\}.
    答案:

    因为被积函数关于 x,yx,y 均为偶函数,且积分区域关于 x,yx,y 轴均对称,因此

    ∬Df(x,y) dσ=4∬D1f(x,y) dσ,\iint_D f(x,y)\,d\sigma=4\iint_{D_1}f(x,y)\,d\sigma,

    其中 D1D_1 为 DD 在第一象限的部分。

    (4 分)

    那么

    ∬D1f(x,y) dσ=∬x+y≤1x2 dσ+∬1≤x+y≤21x2+y2 dσ=∫01∫01−xx2 dy dx+∫01∫1−x2−x1x2+y2 dy dx+∫12∫02−x1x2+y2 dy dx=112+2ln⁡(2+1).\begin{aligned} \iint_{D_1}f(x,y)\,d\sigma &= \iint_{x+y\le1}x^2\,d\sigma +\iint_{1\le x+y\le2}\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}\,d\sigma\\ &= \int_0^1\int_0^{1-x}x^2\,dy\,dx +\int_0^1\int_{1-x}^{2-x}\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx\\ &\quad+\int_1^2\int_0^{2-x}\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx\\ &= \frac{1}{12}+\sqrt2\ln(\sqrt2+1). \end{aligned}

    (8 分)

    所以原积分为

    ∬Df(x,y) dσ=13+42ln⁡(2+1).\iint_D f(x,y)\,d\sigma=\frac13+4\sqrt2\ln(\sqrt2+1).

    (10 分)


  3. 计算 ∭Ω(x2+y2) dx dy dz\displaystyle\iiint_\Omega (x^2+y^2)\,dx\,dy\,dz,其中 Ω\Omega 是由曲线 y2=2z, x=0y^2=2z,\ x=0 绕 zz 轴旋转一圈而成的曲面与 z=2, z=8z=2,\ z=8 所围。

    答案:

    令

    x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ.x=r\cos\theta,\quad y=r\sin\theta.

    (3 分)

    则

    ∭Ω(x2+y2) dx dy dz=∫28∫02π∫02zr3 dr dθ dz=336π.\begin{aligned} \iiint_\Omega(x^2+y^2)\,dx\,dy\,dz &= \int_2^8\int_0^{2\pi}\int_0^{\sqrt{2z}}r^3\,dr\,d\theta\,dz\\ &=336\pi. \end{aligned}

    (10 分)


  4. 计算 ∬S(x+y+z+1)2 dS\displaystyle\iint_S (x+y+z+1)^2\,dS,其中 SS 为球面

    (x−1)2+(y−1)2+(z−1)2=1.(x-1)^2+(y-1)^2+(z-1)^2=1.
    答案:

    令 x′=x−1, y′=y−1, z′=z−1x'=x-1,\ y'=y-1,\ z'=z-1,则原式转化为

    ∬S′(x′+y′+z′+4)2 dS′,\iint_{S'}(x'+y'+z'+4)^2\,dS',

    (4 分)

    其中 S′:x′2+y′2+z′2=1S':x'^2+y'^2+z'^2=1。由对称性可知原式

    =∬S′(x′2+y′2+z′2+16) dS′=∬S′17 dS′=68π.\begin{aligned} &= \iint_{S'}(x'^2+y'^2+z'^2+16)\,dS'\\ &= \iint_{S'}17\,dS'\\ &=68\pi. \end{aligned}

    (10 分)


  5. 计算

    ∬S(2x+z) dy dz+z dx dy,\iint_S(2x+z)\,dy\,dz+z\,dx\,dy,

    其中 S:z=x2+y2 (0≤z≤1)S:z=x^2+y^2\ (0\le z\le 1),SS 的法向量 n⃗0\vec n_0 为 zz 轴正向成锐角。

    答案:

    根据题意可知

    zx′=2x,zy′=2y.z'_x=2x,\quad z'_y=2y.

    (2 分)

    所以

    I=∬S(2x+z) dy dz+z dx dy=∬S(2x+z)(−zx′)+z dx dy=∬S(−4x2−2xz+z) dx dy=∬S(−4x2−2x(x2+y2)+x2+y2) dx dy.\begin{aligned} I &= \iint_S(2x+z)\,dy\,dz+z\,dx\,dy\\ &= \iint_S(2x+z)(-z'_x)+z\,dx\,dy\\ &= \iint_S(-4x^2-2xz+z)\,dx\,dy\\ &= \iint_S\left(-4x^2-2x(x^2+y^2)+x^2+y^2\right)\,dx\,dy. \end{aligned}

    (5 分)

    令 x=rcos⁡θ, y=rsin⁡θx=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta,那么原式为

    ∫02π∫01(−4r2cos⁡2θ−2r3cos⁡θ+r2)r dr dθ=−π2.\int_0^{2\pi}\int_0^1 \left(-4r^2\cos^2\theta-2r^3\cos\theta+r^2\right)r\,dr\,d\theta = -\frac{\pi}{2}.

    (10 分)


  6. 设函数 Q(x,y)Q(x,y) 在 xOyxOy 平面上有连续的一阶偏导数,且曲线积分 ∫L2xy dx+Q(x,y) dy\displaystyle\int_L 2xy\,dx+Q(x,y)\,dy 与积分路径无关,且对任意的 tt,恒有

    ∫(0,0)(t,1)2xy dx+Q(x,y) dy=∫(0,0)(1,t)2xy dx+Q(x,y) dy.\int_{(0,0)}^{(t,1)}2xy\,dx+Q(x,y)\,dy = \int_{(0,0)}^{(1,t)}2xy\,dx+Q(x,y)\,dy.

    (1)(6 分)试求 Q(x,y)Q(x,y);

    (2)(4 分)求函数 uu,使得 grad⁡u=(2xy,Q(x,y))\operatorname{grad}u=(2xy,Q(x,y)),且 u(0,0)=1u(0,0)=1。

    答案:

    (1) 由平面上曲线积分和路径无关的条件可知

    ∂Q∂x=∂(2xy)∂y=2x,\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial(2xy)}{\partial y}=2x,

    所以

    Q(x,y)=x2+C(y),Q(x,y)=x^2+C(y),

    其中 C(y)C(y) 待定。因为积分与路径无关,因此取 (0,0)→(t,0)→(t,1)(0,0)\to(t,0)\to(t,1),则

    ∫(0,0)(t,1)2xy dx+Q(x,y) dy=∫01(t2+C(y)) dy=t2+∫01C(y) dy.\int_{(0,0)}^{(t,1)}2xy\,dx+Q(x,y)\,dy = \int_0^1(t^2+C(y))\,dy = t^2+\int_0^1C(y)\,dy.

    同理取 (0,0)→(0,t)→(1,t)(0,0)\to(0,t)\to(1,t),则

    ∫(0,0)(1,t)2xy dx+Q(x,y) dy=∫0tC(y) dy+∫012tx dx=∫0tC(y) dy+t.\int_{(0,0)}^{(1,t)}2xy\,dx+Q(x,y)\,dy = \int_0^tC(y)\,dy+\int_0^12tx\,dx = \int_0^tC(y)\,dy+t.

    (3 分)

    根据题意

    t2+∫01C(y) dy=∫0tC(y) dy+t.t^2+\int_0^1C(y)\,dy=\int_0^tC(y)\,dy+t.

    同时对 tt 求导可得

    2t=C(t)+1,2t=C(t)+1,

    所以

    C(t)=2t−1.C(t)=2t-1.

    故有

    Q(x,y)=x2+2y−1.Q(x,y)=x^2+2y-1.

    (6 分)

    (2) 根据题意

    ux=2xy,uy=x2+2y−1,u_x=2xy,\quad u_y=x^2+2y-1,

    可知

    u=x2y+y2−y+C.u=x^2y+y^2-y+C.

    再由初始条件可知 C=1C=1,因此

    u=x2y+y2−y+1.u=x^2y+y^2-y+1.

    (4 分)


四、综合题(共计 11 分)​

  1. 设函数 f(t)f(t) 连续,区域 DuvD_{uv} 是由 xx 轴,直线 y=xtan⁡u (0<u<π2)y=x\tan u\ (0<u<\frac{\pi}{2}),圆 x2+y2=vx^2+y^2=v 和圆 x2+y2=1v (v>1)x^2+y^2=\frac{1}{v}\ (v>1) 在第一象限围成的封闭区域,设二元函数

    F(u,v)=∬Duvf(x2+y2)x2+y2 dx dy.F(u,v)=\iint_{D_{uv}}\frac{f(x^2+y^2)}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dx\,dy.

    (1) 计算 ∂F∂u\displaystyle\frac{\partial F}{\partial u},∂F∂v\displaystyle\frac{\partial F}{\partial v} 的值;(4 分)

    (2) 若函数 f(x)=11+xf(x)=\dfrac{1}{1+x},计算 F(π2,4)F\left(\dfrac{\pi}{2},4\right) 的值;(4 分)

    (3) 若函数 f(x)=e−xf(x)=e^{-x},计算 lim⁡v→∞F(π2,v)\displaystyle\lim_{v\to\infty}F\left(\dfrac{\pi}{2},v\right) 的值。(3 分)

    答案:

    (1) 根据题意令 x=rcos⁡θ, y=rsin⁡θx=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta,则

    F(u,v)=∫1vv∫0uf(r2) dθ dr.F(u,v) = \int_{\frac{1}{\sqrt v}}^{\sqrt v}\int_0^u f(r^2)\,d\theta\,dr.

    因此由变限积分求导可知

    ∂F∂u=∫1vvf(r2) dr,\frac{\partial F}{\partial u} = \int_{\frac{1}{\sqrt v}}^{\sqrt v}f(r^2)\,dr,

    而

    ∂F∂v=u[12vf(v)+12v32f(1v)].\frac{\partial F}{\partial v} = u\left[ \frac{1}{2\sqrt v}f(v) +\frac{1}{2v^{\frac32}}f\left(\frac1v\right) \right].

    (4 分)

    (2) 根据题意原式转化为

    F(π2,4)=∫122∫0π211+r2 dθ dr=π2(arctan⁡2−arctan⁡12).\begin{aligned} F\left(\frac{\pi}{2},4\right) &= \int_{\frac12}^{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+r^2}\,d\theta\,dr\\ &= \frac{\pi}{2}\left(\arctan2-\arctan\frac12\right). \end{aligned}

    (4 分)

    (3) 根据题意原式可以转化为

    F(π2,v)=∫1vv∫0π2e−r2 dθ dr,lim⁡v→∞F(π2,v)=π2∫0∞e−r2 dr=π2⋅π2.\begin{aligned} F\left(\frac{\pi}{2},v\right) &= \int_{\frac{1}{\sqrt v}}^{\sqrt v}\int_0^{\frac{\pi}{2}}e^{-r^2}\,d\theta\,dr,\\ \lim_{v\to\infty}F\left(\frac{\pi}{2},v\right) &= \frac{\pi}{2}\int_0^\infty e^{-r^2}\,dr\\ &= \frac{\pi}{2}\cdot\frac{\sqrt\pi}{2}. \end{aligned}

    (3 分)