Math Analysis Homework - Week 11
Class 1
T1
计算曲线围成的面积
x=y2,y=x2y=sinx,y=cosx,x=0,x=2πx=a(cost+tsint),y=a(sint−tcost)(0≤t≤2π),x=ar2=a2cos2θ(a>0)
(1)
S=∫01(x−x2)dx=(32x23−3x3)∣01=31
(2)
∫02π∣sinx−cosx∣dx=∫02π∣2sin(x−4π)∣dx=22∫0π∣sinx∣=42
(3)
S1=21∫02π(x,y)×(x+dx,y+dy)=21∫02πx(y+dy)−y(x+dx)=21∫02πxdy−ydx=2a2∫02π((cost+tsint)(tsint)−(sint−tcost)(tcost))dt=2a2∫02πt2dt=34a2π3S2=21×a2×2π=πa2S=S1+S2=34a2π3+πa2
(4)
21∫02πa2∣cos(2θ)∣dθ=212∫−4π4πa2∣cos(2θ)∣dθ=21a2sin2θ∣−4π4π=a2
T2
求弧长
y=lncosx,x∈[0,3π]y=∫−3x3−t2dtθ=21(r+r1)(1≤r≤3)
(1)
∫03π1+y′2dx=∫03π1+tan2xdx=∫03πsecxdx=(ln∣secx+tanx∣)∣03π=ln(2+3)
(2)
∫−331+y′2dx=∫−334−x2dx=∫−3π3π4cos2tdt=∫−3π3π2(1+cos2t)dt=(2x+sin2x)∣−3π3π=34π+3
(3)
∫ABr′2+r2dθ=∫131+r2(21−2r21)2dr=∫132rr2+1dr=2+2ln3
T3
过点 P(1,0) 作抛物线 y=x−2 的切线,求该切线与抛物线及 x 轴所围成的平面图形绕 x 轴、y 轴旋转而成的旋转体体积.
x=y2+2
切线:y=21x−21⟺x=2y+1
绕y:
π∫01((y2+2)2−(2y+1)2)dy=56π
绕x:
π∫23((21x−21)2−(x−2)2)dx+311×π×221=61π
T4
求心形线的一段 r=a(1+cosθ)(0⩽θ⩽2π) 与 θ=2π 和极轴所围成图形绕极轴旋转一周所得立体的体积.
∫aby2dx=π∫2π0r2sin2t(r′cost−rsint)dt=−π∫02πr2sin2t(r′cost−rsint)dt=−π(∫02π(r2r′dt)(sin2tcost)−∫02πr3sin3dt)=−π(3r3sin2tcost∣02π−∫02π3r3(2sintcos2t−sin3)dt−∫02πr3sin3dt)=∫02π32πr3sintdt
所以
V=∫02π32πa3(1+cosθ)3sinθdθ=∫02π32πa3(1+cosθ)3d(1+cosθ)=25πa3
T5
证明:图形 0⩽y⩽y(x),a⩽x⩽b 绕 y 轴旋转所得的旋转体体积为
Vy=2π∫abxy(x)dx.
并由此计算:
(1) 由 y=x(x−1)2, y=0 所围图形绕 y 轴旋转所得的旋转体体积;
(2) 由 y=sinx(0⩽x⩽π), y=0 所围图形绕 y 轴旋转所得的旋转体体积.
微元法,取一个内径为x,外径为x+dx,高为y的圆环柱体,体积为πy((x+dx)2−x2)=2πyxdx+yπ(dx)2≈2πyxdx,累加即得.
(1)
V=2π∫01x2(x−1)2dx=2π∫01(x4−2x3+x2)dx=15π
(2)
V=2π∫0πxsinxdx=2π2
Class 2
T1
- 计算下列反常积分:
(5)∫0+∞1+x41+x2dx
=∫0+∞x2+x211+x21dxlet t=x−x1Ans=∫−∞+∞t2+21dtlet t=2tantAns=∫−2π2π2sec2t2sec2tdt=22π
T2
- 计算下列反常积分:
(6)∫0+∞(1+e−x)2xe−xdx
∫(1+e−x)2e−xdx=∫−(1+t)2dt=1+t1+C=1+e−x1+Clet C=−1⟹Ans=1+e−x−xe−x∣0+∞−∫0+∞1+e−x−e−xdx=0+ln2=ln2
T3
- 判断下列无穷积分的敛散性:
(4)∫0+∞ex+e−xxdx
≤∫0∞exx≤∫0∞1+x+2x2+6x3x≤∫01exx+∫1∞x26≤1+∫1∞x26
第二项收敛.所以收敛.
T4
- 判断下列无穷积分的敛散性:
(5)∫1+∞[ln(1+x21)−1+x21]dx
ln(1+x21)−1+x21=x21−2x41+o(x51)−x21+x41=2x41+o(x51)⟹x→∞lim2x41[ln(1+x21)−1+x21]=1⟹Convergent
T5
- 判断下列无穷积分的敛散性:
(6)∫1+∞x(1−cosx21)pdx,p∈R
cosx21=1−2x41+o(x5)⟹x→∞limx1−4px(1−cosx21)p=C∈(0,∞)∫1+∞x(1−cosx21)p⎩⎨⎧ is convergent,p>21 isn’t convergent,p≤21
T6
- 判断下列无穷积分的敛散性(含绝对收敛性与条件收敛性):
(3)∫1+∞sin(xsinx)dx
∫absin(xsinx)dx=i=A∑B∫kπ(k+1)πsin(xsinx)dx+∫aAπsin(xsinx)dx+∫Bπbsin(xsinx)dx
其中第一项因为正负交替且递减,求和式绝对值小于第一项∫kπ(k+1)πsin(xsinx).于是这三项都为∫cdsinxsinx<2πx1,从而小于a6π,应用柯西收敛准则得知手收敛.
而
∫1+∞sinxsinxdx>∫1+∞xsinxdx−∫1+∞61(xsinx)3dx
第一项发散,第二项收敛,故发散.
条件收敛.
T7
- 判断下列无穷积分的敛散性(含绝对收敛性与条件收敛性):
(4)∫1+∞xcos(xp)dx,p∈R
p>0时.
=∫1+∞xp1cosxxp1−1dx=∫1+∞xcosxdx
cosx积分有界,x1递减且收敛到0,原式收敛.
绝对值:
∣xcosx∣≥x+2πsin(x+2π)
而后一项积分发散.
故原式条件收敛.
p≤0时,limx→+∞cosxp=1
于是取X足够大使cosxp>21,∫X+∞xcos(xp)dx>21∫X+∞x1=∞,发散.
T8
- 设 Pm(x) 和 Pn(x) 分别为 m 和 n 次多项式,并且当 x⩾a 时,Pn(x)>0. 试研究
∫a+∞Pn(x)Pm(x)sinxdx
的绝对收敛性和条件收敛性.
不妨设x→+∞时Pm(x)>0
若m≥n,limx→∞Pn(x)Pm(x)=A>0
∃X,x>X⟹Pn(x)Pm(x)>B(B<A)⟹∫2nπ+4π2nπ+2πPn(x)Pm(x)sinxdx>82Bπ
发散.
若m<n−1,
∫Pn(x)Pm(x)sinx≤∫xr1<+∞,(r>1)
绝对收敛
若m=n−1,
Pn(x)Pm(x)=x1+o(x1)
其中第一部分最后条件收敛,第二部分最后收敛,故整体条件收敛.
T9
- 证明无穷积分的对数判别法:设 f(x)∈C[1,+∞) 且恒正,若 limx→+∞lnxlnf(x)=−λ,则当 λ>1 时无穷积分 ∫1+∞f(x)dx 收敛.
x→+∞limlnxlnf(x)=−λ⟹∃1<a<λ,X s.t. x>X⟹lnxlnf(x)<−a,⟹f(x)<xa1
应用比较判别法,∫1∞xa1收敛,得证.
T10
- 设在 [a,+∞) 上满足:g(x)⩽f(x)⩽h(x),且 ∫a+∞g(x)dx 与 ∫a+∞h(x)dx 收敛,请问 ∫a+∞f(x)dx 是否收敛?
f(x)−g(x)≤h(x)−g(x)<+∞f(x)=g(x)+(f(x)−g(x))<+∞
收敛.
T11
- 设函数 f(x) 在 [a,+∞) 上单调减少且趋于 0. 证明:无穷积分 ∫a+∞f(x)dx 与 ∫a+∞f(x)sin2xdx 同敛散.
I1=∫a+∞f(x)dxI2=∫a+∞f(x)sin2xdx≤I1
故I1收敛推出I2收敛.
若I1发散,因为f递减,则
F(x)=∫axf(t)dtF(x)<C+4i=a∑∫2iπ+4π2iπ+43πf(t)dt=C+G(x)
而
∫axf(t)dtsin2tdt=H(x)>i=a∑∫2iπ+4π2iπ+43πf(t)sin2tdt>i=a∑∫2iπ+4π2iπ+43πf(t)21dt=21G(x)
于是F(x)<kH(x)推出I2发散.
T12
- 设函数 f(x) 在 [a,+∞) 上连续可微,且无穷积分 ∫a+∞f(x)dx 与 ∫a+∞f′(x)dx 都收敛. 证明:limx→+∞f(x)=0.
∃X,∀c,d>X,∫cdf′(x)dx=∣f(d)−f(c)∣<ϵ
于是f(x)收敛,设收敛到a,若a=0,存在0<b<∣a∣
则
∃X,∀x>X,∣f(x)∣>b,∀x1,x2>X,f(x1)f(x2)>0∣∫a∞f(x)dx∣=∫a∞∣f(x)∣dx>∫a∞bdx=+∞
矛盾.于是得证.