期末微积分考试试题求解 :利用python求解
在 今年期末微积分考试试题:看看你能够在两个小时内做对几道题? 搜集到了一份期末微积分考试试题。为了对其内容进行进一步分析,对其内容进行整理如下。
§01 填空题
每个空3分,共10题
1. 求解常微分方程通解
y′=1+2x+y2+2xy2y' = 1 + 2x + y^2 + 2xy^2y′=1+2x+y2+2xy2
◎ 求解:
2xy2(x)+2x+y2(x)+1=ddxy(x)2xy^2 \left( x \right) + 2x + y^2 \left( x \right) + 1 = {d \over {dx}}y\left( x \right)2xy2(x)+2x+y2(x)+1=dxdy(x)y(x)=tan(C1+x2+x)y\left( x \right) = \tan \left( {C_1 + x^2 + x} \right)y(x)=tan(C1+x2+x)
from headm import * # =from sympy import symbols,simplify,expand,print_latex
from sympy import *x,z = symbols('x z')
y,f,g = symbols('y f g', cls=Function)diffeq = Eq(1 + 2*x + y(x)**2 + 2*x*y(x)**2, y(x).diff(x))
print_latex(diffeq)
print_latex(dsolve(diffeq, y(x)))_ = tspexecutepythoncmd("msg2latex")
clipboard.copy(str(result))
2. 求解常微分方程通解
y′′−2y′+y=2y'' - 2y' + y = 2y′′−2y′+y=2
◎ 求解:
y(x)−2ddxy(x)+d2dx2y(x)=2y\left( x \right) - 2{d \over {dx}}y\left( x \right) + {{d^2 } \over {dx^2 }}y\left( x \right) = 2y(x)−2dxdy(x)+dx2d2y(x)=2y(x)=(C1+C2x)ex+2y\left( x \right) = \left( {C_1 + C_2 x} \right)e^x + 2y(x)=(C1+C2x)ex+2
diffeq = Eq(y(x).diff(x,x)-2*y(x).diff(x)+y(x),2)print_latex(diffeq)
print_latex(dsolve(diffeq, y(x)))
3. 求解级数极限
limn→+∞∑k=1n1n+3k\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } \sum\limits_{k = 1}^n {{1 \over {n + 3k}}} n→+∞limk=1∑nn+3k1
◎ 数值求解:
▲ 数值求解n→无穷大对应的累加和
当 n=10000n = 10000n=10000时对应的取值为:
sumn(10000): 0.46206062271704684
数值求解代码:
from headm import * # =def sumn(n):return sum([1/(n+3*k) for k in range(1,n+1)])ndim = [sumn(i+1) for i in range(1000)]plt.clf()
plt.figure(figsize=(10,6))
plt.plot(ndim)
plt.xlabel("n")
plt.ylabel("Sum(n)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig(r"d:\temp\figure1.jpg")
tspshowimage(image=r"d:\temp\figure1.jpg")printt(sumn(10000)|)
根据 Euler–Maclaurin formula ,可以将有限长累加和转换成对应的Euler-Maclauring公式。
∑k=1n1n+3k=(log(4n)3−log(n+3)3+12(n+3)+18n,∣14(n+3)2−164n2∣)\sum\limits_{k = 1}^n {{1 \over {n + 3k}}} = \left( {{{\log \left( {4n} \right)} \over 3} - {{\log \left( {n + 3} \right)} \over 3} + {1 \over {2\left( {n + 3} \right)}} + {1 \over {8n}},\quad \left| {{1 \over {4\left( {n + 3} \right)^2 }} - {1 \over {64n^2 }}} \right|} \right)k=1∑nn+3k1=(3log(4n)−3log(n+3)+2(n+3)1+8n1,∣∣∣∣∣4(n+3)21−64n21∣∣∣∣∣)
sumf = Sum(1/(n+3*k),(k,1,n))
result=sumf.euler_maclaurin()
所以:limn→+∞∑k=1n1n+3k=limn→+∞(log(4n)3−log(n+3)3+12(n+3)+18n)=13log(4)\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } \sum\limits_{k = 1}^n {{1 \over {n + 3k}}} = \mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } \left( {{{\log \left( {4n} \right)} \over 3} - {{\log \left( {n + 3} \right)} \over 3} + {1 \over {2\left( {n + 3} \right)}} + {1 \over {8n}}} \right) = {1 \over 3}\log \left( 4 \right)n→+∞limk=1∑nn+3k1=n→+∞lim(3log(4n)−3log(n+3)+2(n+3)1+8n1)=31log(4)
这个取值与前面数值计算符合的。
- sympy文献参考:https://docs.sympy.org/latest/modules/concrete.html
4. 定积分求解
∫02∣1−x∣dx\int_0^2 {\left| {1 - x} \right|dx}∫02∣1−x∣dx
◎ 求解:
题目所求的定积分实际上是下面函数与x轴包含的面积,根据给定的参数可以知道这个面积为1,所以:∫02∣1−x∣dx=1\int_0^2 {\left| {1 - x} \right|dx} = 1∫02∣1−x∣dx=1
▲ 图1.4.1 定积分图像
5. 求函数高阶导数
f(x)=sin(x3),f(15)(0)=?f\left( x \right) = \sin \left( {x^3 } \right),\,\,f^{\left( {15} \right)} \left( 0 \right) = ?f(x)=sin(x3),f(15)(0)=?
◎ 求解:
sin(x3)\sin \left( {x^3 } \right)sin(x3)进行台劳级数展开:
x3−x96+x15120+O(x20)x^3 - {{x^9 } \over 6} + {{x^{15} } \over {120}} + O\left( {x^{20} } \right)x3−6x9+120x15+O(x20)
所以:f(15)(0)=1120f^{\left( {15} \right)} \left( 0 \right) = {1 \over {120}}f(15)(0)=1201
result = sin(x**3).series(x, 0, 20)
print_latex(result)
n,k,x = symbols('n,k,x')
result = integrate(abs(1-x), (x,0,2))
6. 求解积分函数导数
ddx∫x2x3sinttdt{d \over {dx}}\int_{x^2 }^{x^3 } {{{\sin t} \over t}dt}dxd∫x2x3tsintdt
◎ 求解:
−2sin(x2)x+3sin(x3)x- {{2\sin \left( {x^2 } \right)} \over x} + {{3\sin \left( {x^3 } \right)} \over x}−x2sin(x2)+x3sin(x3)
n,k,x,t = symbols('n,k,x,t')
result = integrate(sin(t)/t, (t,x**2,x**3))
result = result.diff(x)
7. 定积分求解
∫0πx⋅(sinx)2dx\int_0^\pi {x \cdot \left( {\sin x} \right)^2 dx}∫0πx⋅(sinx)2dx
◎ 求解:
n,k,x,t = symbols('n,k,x,t')
result = integrate(x*(sin(x)**2),(x,0,pi))
∫0πx⋅(sinx)2dx=π24\int_0^\pi {x \cdot \left( {\sin x} \right)^2 dx} = {{\pi ^2 } \over 4}∫0πx⋅(sinx)2dx=4π2
8. 求解微分方程解
常微分方程 y′+y=e−xy' + y = e^{ - x}y′+y=e−x满足 y(0)=0y\left( 0 \right) = 0y(0)=0的解y=y(x)y = y\left( x \right)y=y(x)的拐点的横坐标为 。
◎ 求解:
常微分方程的通解为:y(x)=(C1+x)e−xy\left( x \right) = \left( {C_1 + x} \right)e^{ - x}y(x)=(C1+x)e−x
n,k,x,t = symbols('n,k,x,t')
y = Function('y')
diffeq = Eq(y(x).diff(x)+y(x), exp(-x))
result = dsolve(diffeq,y(x))
根据 y(0)=0y\left( 0 \right) = 0y(0)=0,可以得到:0=(C1+0)⋅e−0=C10 = \left( {C_1 + 0} \right) \cdot e^{ - 0} = C_10=(C1+0)⋅e−0=C1,所以常微分方程的完全解为:y(x)=x⋅e−xy\left( x \right) = x \cdot e^{ - x}y(x)=x⋅e−x
改函数对应的拐点x0x_0x0满足:y′′(x0)=0y''\left( {x_0 } \right) = 0y′′(x0)=0。y′′(x)=(x−2)e−xy''\left( x \right) = \left( {x - 2} \right)e^{ - x}y′′(x)=(x−2)e−x
可以得到:x0=2x_0 = 2x0=2。
9. 求解曲线弧长
求解下面曲线段的弧长:
y=2x32,(0≤x≤1)y = 2x^{{3 \over 2}} ,\,\,\left( {0 \le x \le 1} \right)y=2x23,(0≤x≤1)
◎ 求解:
▲ 图1.9.1 曲线函数波形
曲线的y=y(x)y = y\left( x \right)y=y(x)对应的弧长公示为:L0,1=∫011+y′(x)2dxL_{0,1} = \int_0^1 {\sqrt {1 + y'\left( x \right)^2 } dx}L0,1=∫011+y′(x)2dx
上面公示的不定积分为:
L(x)=x9x2+12+log(x+x2+1)6,x≥0L\left( x \right) = {{x\sqrt {9x^2 + 1} } \over 2} + {{\log \left( {x + \sqrt {x^2 + 1} } \right)} \over 6},\,\,x \ge 0L(x)=2x9x2+1+6log(x+x2+1),x≥0
定积分:L(1)=asinh(3)6+102=log(3+10)6+102L\left( 1 \right) = {{{\mathop{\rm asinh}\nolimits} \left( 3 \right)} \over 6} + {{\sqrt {10} } \over 2} = {{\log \left( {3 + \sqrt {10} } \right)} \over 6} + {{\sqrt {10} } \over 2}L(1)=6asinh(3)+210=6log(3+10)+210
n,k,x,t = symbols('n,k,x,t')
result = integrate(sqrt(1+(3*x)**2),(x,0,1))
10. 分析级数无穷小阶次
设当 x→0x \to 0x→0时,下面函数为 ppp阶无穷小,则 p=p =p= 。
(sinxx)13−e−x23\left( {{{\sin x} \over x}} \right)^{{1 \over 3}} - e^{ - {{x^2 } \over 3}}(xsinx)31−e−3x2
◎ 求解:
分别将表达式的两项在0点进行台劳级数展开:(sinxx)13=1−0.000308641975308642x4.0−0.0555555555555556x2.0+O(x5)\left( {{{\sin x} \over x}} \right)^{{1 \over 3}} \,\, = 1 - 0.000308641975308642x^{4.0} - 0.0555555555555556x^{2.0} + O\left( {x^5 } \right)(xsinx)31=1−0.000308641975308642x4.0−0.0555555555555556x2.0+O(x5)
e−x23=1−x23+x418+O(x5)e^{ - {{x^2 } \over 3}} = 1 - {{x^2 } \over 3} + {{x^4 } \over {18}} + O\left( {x^5 } \right)e−3x2=1−3x2+18x4+O(x5)
它们之间的差对应的无穷小量的阶次 p=2p = 2p=2。
§02 解答题
共8题,写出详细的计算过程和必要的根据!
11. (10分)
讨论 ppp 取何值时,下面广义积分是收敛的。∫0+∞xplnx(1+x2)2dx\int_0^{ + \infty } {{{x^p \ln x} \over {\left( {1 + x^2 } \right)^2 }}dx}∫0+∞(1+x2)2xplnxdx
◎ 求解:
▲ p值不同对应的积分
12.(10分)
求数列{n1/n},(n=1,2,3⋯)\left\{ {n^{1/n} } \right\},\,\,\left( {n = 1,2,3 \cdots } \right){n1/n},(n=1,2,3⋯)的最大项的值。
◎ 求解
数量{n1/n},(n=1,2,3⋯)\left\{ {n^{1/n} } \right\},\,\,\left( {n = 1,2,3 \cdots } \right){n1/n},(n=1,2,3⋯) 的取值变化如下图所示:
▲ N值对应函数曲线
ddn(n1/n)=n1n(−log(n)n2+1n2){d \over {dn}}\left( {n^{1/n} } \right) = n^{{1 \over n}} \left( { - {{\log \left( n \right)} \over {n^2 }} + {1 \over {n^2 }}} \right)dnd(n1/n)=nn1(−n2log(n)+n21)
可以看到 n=en = en=e附近,n1/nn^{1/n}n1/n的取值最大值,综上判断,可以知道序列的最大值出现在n=3n = 3n=3,对应的最大值为:31/3≈1.44223^{1/3} \approx 1.442231/3≈1.4422。
13. (13分)
函数 f(x)={e1x,x≠00,x=0f\left( x \right) = \left\{ \begin{matrix} {e^{{1 \over x}} ,\,\,x \ne 0}\\{0,\,\,\,\,x = 0}\\\end{matrix} \right.f(x)={ex1,x=00,x=0 讨论函数 f(x)f\left( x \right)f(x)的连续性,并求 f(x)f\left( x \right)f(x)的单调区间、极值点与极值、凸性区间、拐点和渐进线。
● 求解:
f(x)f\left( x \right)f(x)在0附近函数图像,可以知道改函数在0点附近不连续。
▲ f(x)在0附近的函数图像
下图是1/x1/x1/x在0附近的函数图像。
▲ 1/x在0附近的函数图像
Ⅰ.区间 0 ∞
f′(x)=−e1xx2f'\left( x \right) = - {{e^{{1 \over x}} } \over {x^2 }}f′(x)=−x2ex1
f′′(x)=(2+1x)e1xx3f''\left( x \right) = {{\left( {2 + {1 \over x}} \right)e^{{1 \over x}} } \over {x^3 }}f′′(x)=x3(2+x1)ex1
在 x>0x > 0x>0,x<0x < 0x<0区间内,函数是单调下降,下凹,渐进性是x轴。
14. (12分)
设曲线段 Γ\GammaΓ 为圆心在点(0,1)的单位圆周位于正方形 0≤x≤1,0≤y≤10 \le x \le 1,\,\,0 \le y \le 10≤x≤1,0≤y≤1的部分,平面区域 DDD为由 Γ\GammaΓ,xxx轴以及直线 x=1x = 1x=1 围城的有界区域。
▲ 图2.4.1 曲线段Gama
(I) 求区域 DDD 饶 xxx轴旋转一周所产生的旋转体体积;
(II)求曲线段 Γ\GammaΓ 绕 xxx 轴旋转一周所产生的旋转面面积;
● 求解:
Ⅰ.求解旋转体体积
V=∫0π2π(1−cosθ)2⋅cosθ⋅dθ=π(−π2+53)V = \int_0^{{\pi \over 2}} {\pi \left( {1 - \cos \theta } \right)^2 \cdot \cos \theta \cdot d\theta } = \pi \left( { - {\pi \over 2} + {5 \over 3}} \right)V=∫02ππ(1−cosθ)2⋅cosθ⋅dθ=π(−2π+35)
▲ 图2.4.2 另外一种分析方法
V=∫01π[1−(1−x2)0.5]2dx=π(−π2+53)V = \int_0^1 {\pi \left[ {1 - \left( {1 - x^2 } \right)^{0.5} } \right]^2 dx} = \pi \left( { - {\pi \over 2} + {5 \over 3}} \right)V=∫01π[1−(1−x2)0.5]2dx=π(−2π+35)
Ⅱ.求解旋转体面积
S=∫0π22π⋅(1−cos(θ))⋅dx=2π(−1+π2)S = \int_0^{{\pi \over 2}} {2\pi \cdot \left( {1 - \cos \left( \theta \right)} \right) \cdot dx = } 2\pi \left( { - 1 + {\pi \over 2}} \right)S=∫02π2π⋅(1−cos(θ))⋅dx=2π(−1+2π)
S=∫012π[1−1−x2]1−x2dx=2π(−1+π2)S = \int_0^1 {{{2\pi \left[ {1 - \sqrt {1 - x^2 } } \right]} \over {\sqrt {1 - x^2 } }}dx = } 2\pi \left( { - 1 + {\pi \over 2}} \right)S=∫011−x22π[1−1−x2]dx=2π(−1+2π)
15. (10分)
求常微分方程的初值问题的解 (x<1x < 1x<1)。
{1+(y′)2=(1−x)⋅y′′y(0)=0y′(0)=0\left\{ \begin{matrix} {\sqrt {1 + \left( {y'} \right)^2 } = \left( {1 - x} \right) \cdot y''}\\{y\left( 0 \right) = 0\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}\\{y'\left( 0 \right) = 0\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}\\\end{matrix} \right.⎩⎪⎨⎪⎧1+(y′)2=(1−x)⋅y′′y(0)=0y′(0)=0
● 求解:
16. (5分)
设 f∈C(0,+∞)f \in C\left( {0, + \infty } \right)f∈C(0,+∞), 并且 ∀a>0,b>1\forall a > 0,b > 1∀a>0,b>1,都有积分∫aabf(x)dx\int_a^{ab} {f\left( x \right)dx}∫aabf(x)dx 与 aaa 无关。
求证:存在常数 CCC,使得 f(x)=Cx,x∈(0,+∞)f\left( x \right) = {C \over x},\,\,x \in \left( {0, + \infty } \right)f(x)=xC,x∈(0,+∞)
17. (5分)
设 f(x)f\left( x \right)f(x)在 [0,1]\left[ {0,1} \right][0,1] 上非负连续, 且满足 :f2(x)≤1+2∫0xf(t)dt,x∈[0,1]f^2 \left( x \right) \le 1 + 2\int_0^x {f\left( t \right)dt} ,\,\,x \in \left[ {0,1} \right]f2(x)≤1+2∫0xf(t)dt,x∈[0,1] 证明:f(x)≤1+x,x∈[0,1]f\left( x \right) \le 1 + x,\,\,x \in \left[ {0,1} \right]f(x)≤1+x,x∈[0,1]
18. (5分)
设:p(x)=xn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0p\left( x \right) = x^n + a_{n - 1} x^{n - 1} + \cdots + a_1 x + a_0p(x)=xn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0 为实系数 nnn 次多项式。若 p(x)≥0,x∈(−∞,+∞)p\left( x \right) \ge 0,\,\,x \in \left( { - \infty , + \infty } \right)p(x)≥0,x∈(−∞,+∞)
证明:p(x)+p′(x)+⋯+p(n)(x)≥0,x∈(−∞,+∞)p\left( x \right) + p'\left( x \right) + \cdots + p^{\left( n \right)} \left( x \right) \ge 0,\,\,x \in \left( { - \infty , + \infty } \right)p(x)+p′(x)+⋯+p(n)(x)≥0,x∈(−∞,+∞)
这里 p′(x),p′′(x),⋯,p(n)(x)p'\left( x \right),p''\left( x \right), \cdots ,p^{\left( n \right)} \left( x \right)p′(x),p′′(x),⋯,p(n)(x)表示 p(x)p\left( x \right)p(x)的一阶、二阶以及 nnn阶导数。
● 证明:
证明过程请参见: 正值实系数多项式函数所对应的导数累加和是否非负?
§03 附加题
本题全对才给分,其分数不计入总评,仅用于评判(A+)
1. 附加题内容
设 h>0h > 0h>0, f(x)f\left( x \right)f(x)为闭区间[−h,h]\left[ { - h,h} \right][−h,h]上的无穷可导函数,且 ∀x∈[0,h]\forall x \in \left[ {0,h} \right]∀x∈[0,h],以及任意的非负整数 nnn,都有 f(n)(x)≥0f^{\left( n \right)} \left( x \right) \ge 0f(n)(x)≥0。 记 rn(x)=1n!∫0x(x−t)nf(n+1)(t)dtr_n \left( x \right) = {1 \over {n!}}\int_0^x {\left( {x - t} \right)^n f^{\left( {n + 1} \right)} \left( t \right)dt}rn(x)=n!1∫0x(x−t)nf(n+1)(t)dt 求证:∀x∈(0,h)\forall x \in \left( {0,h} \right)∀x∈(0,h),均有limn→+∞rn(x)=0\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } r_n \left( x \right) = 0n→+∞limrn(x)=0
● 证明:
本题的证明过程参见: 期末考试中微积分的证明题的分析:Taylor级数展开 。
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