错题本(Ⅱ)

级数

基础

求幂级数的和函数与收敛区间

【2022-2023 春夏期中 10.】求幂级数 ∑n=1+∞(1−12n+1)x2n\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty} \left( 1-\frac{1}{2n+1} \right) x^{2n}} 在区间 (−1,1)(-1,1) 内的和函数 S(x)S(x)。

注意

中间有一步需要将极限除以 xx,故 x=0x=0 的情况应该扣出来单独讨论。

答案

收敛半径的性质与求解

【2018-2019 春夏期中 4.】 已知级数 ∑n=0+∞anxn\displaystyle{\sum_{n=0}^{+\infty}} a_n x^n 在 x=−1x=-1 处条件收敛,试求级数 ∑n=0+∞an(n+1)xn\displaystyle{\sum_{n=0}^{+\infty}} a_n (n+1) x^n 的收敛半径(请给出理由)。

提示

来看一下比较严谨的证明过程。特别是说明原级数收敛半径这段。

答案

将周期函数展开成傅里叶级数

【2018-2019 春夏期中 5.】 设 f(x)=ex (0≤x≤2π)f(x) = e^x\, (0\le x \le 2 \pi),将 f(x)f(x) 展开成周期 2π2\pi 的傅里叶级数。

TBD:重做一遍

答案

重要

困难

【2022-2023 春夏期中 1.】判断级数 ∑n=1+∞11+2+⋯+n\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{1+\sqrt{2} +\cdots + \sqrt{n}}} 的敛散性。

TBD:重做一下吧

答案 (by 路老师)

挑战

2022 压轴

【2022-2023 春夏期中 13.】设 {an},{bn}\{a_n\},\{b_n\} 均为正项数列,试证:

(1) 对任意的正整数 nn,若 anbn−an+1bn+1≤0a_n b_n - a_{n+1} b_{n+1} \le 0,且 ∑n=1+∞1bn\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{b_n}} 发散,则 ∑n=1∞an\displaystyle{\sum_{n=1}^\infty} a_n 发散。

(2) 对任意的正整数 nn,若 bnanan+1−bn+1≥δ\displaystyle{b_n\frac{a_n}{a_{n+1}}} - b_{n+1} \ge \delta,δ\delta 为正常数,则 ∑n=1∞an\displaystyle{\sum_{n=1}^\infty} a_n 收敛。

2021 压轴

【2021-2022 春夏期中 13.】已知函数 f(x)f(x) 的周期为 2π2\pi,且 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi 时有 f(x)=14x(2π−x)f(x)=\dfrac{1}{4} x (2\pi - x)。

(1) 将 f(x)f(x) 展开成 Fourier 级数;

(2) 证明:∑n=1+∞1n2=π26\displaystyle{\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}}。

2018 压轴

【2018-2019 春夏期中 13.】设 0<a0<10<a_0<1,an+1=an(1−an) (n=0,1,2,…)a_{n+1} = a_n (1-a_n) \space (n=0,1,2,\ldots)。证明:

(1) 级数 ∑n=0∞(−1)nan\displaystyle{\sum_{n=0}^\infty} (-1)^n a_n 收敛。

(2) 级数 ∑n=0∞an\displaystyle{\sum_{n=0}^\infty} a_n 发散。

空间解析几何

基础

重要

点到直线的垂线

求过点 A(2,1,3)A(2,1,3) 且与直线 L: x+13=y−12=z−1L:\,\displaystyle{\frac{x+1}{3} = \frac{y-1}2=\frac{z}{-1}} 垂直相交的直线方程。

解题思路
  • 垂线难求,可以先求点 AA 与直线 LL 所在的平面。
  • 求直线与平面的交点时,可用直线的参数式方程代入平面简化计算。
答案

两条直线的公垂线

设有直线 L1: x+21=y−3−1=z+11L_1:\, \dfrac{x+2}{1} = \dfrac{y-3}{-1} = \dfrac{z+1}{1},L2: x+42=y1=z−43L_2:\, \dfrac{x+4}{2} = \dfrac{y}{1} = \dfrac{z-4}{3}。试求与直线 L1,L2L_1,L_2 都垂直且相交的直线方程。

解题思路
  • 用叉乘得到公垂线的方向向量 v⃗=v1⃗×v2⃗\vec{v} = \vec{v_1} \times \vec{v_2};接下来,解出直线的一般式方程最为方便。
  • 公垂线难求,可以通过相当于过直线 L1L_1 平行于 v⃗\vec{v} 的平面与过直线 L2L_2 平行于 v⃗\vec{v} 的平面的交得到。
  • 平行于两方向向量的平面可以通过叉积得到法向量 n⃗=v1⃗×v2⃗\vec{n} = \vec{v_1} \times \vec{v_2}。
答案

多元函数微分学

基础

【2022-2023 春夏期中 11.】设 u=f(x,xy)u=f\left(x,\dfrac{x}{y}\right),其中 ff 具有二阶连续偏导数,求 ∂u∂x, ∂2u∂x∂y\dfrac{\partial u}{\partial x},\, \dfrac{\partial^2 u}{\partial x \partial y}。

TBD:重新审视一下这类题目。

答案

重要

求解二重极限

【2022-2023 春夏期中 5.】求极限 lim⁡(x,y)→(0,0)x2yln⁡(x2+y2)\displaystyle{\lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)} x^2 y \ln (x^2 +y^2)}。

回顾

求二重极限只能使用夹逼定理或变量代换,切勿走上二重极限的不归路。

答案

讨论函数在特定点的可微性

【2022-2023 春夏期中 7.】讨论函数 f(x)={∣xy∣sin⁡ln⁡(x2+y2),(x,y)≠(0,0)0,(x,y)=(0,0)\displaystyle{f(x) = \begin{cases}\sqrt{|xy|} \sin\ln (x^2 + y^2), \quad& (x,y)\neq (0,0) \\0,&(x,y)=(0,0)\end{cases}} 在点 (0,0)(0,0) 的可微性。

提示

相当于验证极限是否存在且为 00:

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)=Δz−AΔx−BΔyΔx2+Δy2\lim_{(\Delta x,\Delta y)\rightarrow (0,0)} = \frac{\Delta z - A \Delta x - B \Delta y}{\sqrt{\Delta x^2 + \Delta y^2}}

用 x→0,y=xx\rightarrow 0,y= x 去逼近即可得到极限震荡(不存在),如果用夹逼定理反而不能说明。因而应该先判断极限是否存在在选择适用的方法。

困难

全微分公式

取 xx 作为函数,而 u=y−zu = y - z,v=y+zv = y + z 作为自变量,变换方程

(y−z)∂z∂x+(y+z)∂z∂y=0(y - z)\frac{\partial z}{\partial x} + (y + z)\frac{\partial z}{\partial y} = 0
错解
{∂z∂u=∂z∂x∂x∂u+∂z∂y∂y∂u=∂z∂x∂x∂u=−12∂z∂v=∂z∂x∂x∂v+∂z∂y∂y∂v=∂z∂x∂x∂v=12⟹∂z∂x=1∂x∂v−∂x∂u\begin{cases} \displaystyle{\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u} = - \frac{1}{2}} \\ \displaystyle{\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} = \frac{1}{2}} \end{cases} \Longrightarrow \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{\displaystyle{\frac{\partial x}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial u}}}

从而化简原方程:

(y−z)∂z∂x+(y+z)∂z∂y=0⇔u∂x∂v−∂x∂u=0(y - z)\frac{\partial z}{\partial x} + (y + z)\frac{\partial z}{\partial y} = 0 \Leftrightarrow \frac{u}{\displaystyle{\frac{\partial x}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial u}}} = 0
错因

不能简单的认为 ∂z∂y=0\dfrac{\partial z}{\partial y} = 0。这题由于 u,vu,v 是自变量,xx 是因变量,我们应该把 y,zy,z 看成中间函数。而不能因为 u,vu,v 和 y,zy,z 都是线性无关的两组基在解题时认为他们是两组自变量。

核心思想

写出 dxdx 关于 du,dvdu,dv 的全微分公式,但将其中的 du,dvdu,dv 通过 dy,dzdy,dz 代换就可以得到 dxdx 关于 dy,dzdy,dz 的全微分公式。这一方法在求单项时也可用。

答案
du=dy−dz, dv=dy+dzdu = dy - dz,\ dv = dy + dz dx=∂x∂udu+∂x∂vdv=∂x∂u(dy−dz)+∂x∂v(dy+dz)⟹(∂x∂u−∂x∂v)dz=−dx+(∂x∂u+∂x∂v)dy⟹dz=1∂x∂v−∂x∂u+∂x∂u+∂x∂v∂x∂u−∂x∂vdy⟹∂z∂x=1∂x∂v−∂x∂u, ∂z∂y=∂x∂u+∂x∂v∂x∂u−∂x∂v\begin{aligned} & dx = \frac{\partial x}{\partial u}du + \frac{\partial x}{\partial v}dv = \frac{\partial x}{\partial u}\left( \mathrm{d}\mathit{y} - dz \right) + \frac{\partial x}{\partial v}\left( \mathrm{d}\mathit{y} + dz \right) \\ \Longrightarrow & \left( \frac{\partial x}{\partial u} - \frac{\partial x}{\partial v} \right)dz = - dx + \left( \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial x}{\partial v} \right)dy \\ \Longrightarrow & dz = \frac{1}{\frac{\partial x}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial u}} + \frac{\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial x}{\partial v}}{\frac{\partial x}{\partial u} - \frac{\partial x}{\partial v}}dy \\ \Longrightarrow & \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{\frac{\partial x}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial u}},\ \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial x}{\partial v}}{\frac{\partial x}{\partial u} - \frac{\partial x}{\partial v}} \end{aligned}

代入得

u⋅1∂x∂v−∂x∂u+v⋅∂x∂u+∂x∂v∂x∂u−∂x∂v=0⟹∂x∂u+∂x∂v=uv (v≠0) u \cdot \frac{1}{\frac{\partial x}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial u}} + v \cdot \frac{\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial x}{\partial v}}{\frac{\partial x}{\partial u} - \frac{\partial x}{\partial v}} = 0 \Longrightarrow \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial x}{\partial v} = \frac{u}{v}\ (v \neq 0)

全微分综合题

【2021-2022 春夏期中 9.】设 f(x,y)f(x,y) 可微,且对任意 t,x,y∈Rt,x,y\in\mathbb R,有 f(tx,ty)=t2f(x,y)f(tx,ty) = t^2 f(x,y) 成立。M0(1,−2,3)M_0 (1,-2,3) 为曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 上的点,若 fx′(−1,2)=4f'_x (-1,2) = 4,求 dz∣M0\text dz|_{M_0}。

答案

全微分综合题

【2020-2021 春夏期中 6.】设函数 f(t)f(t) 在区间 (0,+∞)(0,+\infty) 上具有二阶导数,又函数 u(x,y,z)=f(r)u(x,y,z)=f(r),其中 r=x2+y2+z2r=\sqrt{x^2+y^2+z^2},记 Δu=∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2\Delta u=\dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \dfrac{\partial^2 u}{\partial y^2} + \dfrac{\partial^2 u}{\partial z^2},把 Δu\Delta u 表示成关于 rr 的函数。

答案

挑战

判断二重极限是否存在

【2021-2022 春夏期中 11.】设 f(x)={x2022yx+y(x2+y2≠0)0(x2+y2=0)f(x)=\begin{cases}\dfrac{x^{2022} y}{x+y} \quad&(x^2+y^2\neq 0)\\ 0\quad&(x^2+y^2=0)\end{cases},据理说明 f(x,y)f(x,y) 在点 (0,0)(0,0) 处是否连续。

答案

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