目錄
- C組
- 1.設y′=f(x,y)是一條簡單封閉曲線L(取正向),f(x,y)=0,其所圍成區域記爲D,D的面積爲1,則I=∮Lxf(x,y)dx−f(x,y)ydy=______。
- 2.設f(x)在[0,1]上連續,證明:∫01dx∫0xdy∫0yf(x)f(y)f(z)dz=3!1[∫01f(t)dt]。
- 11.設f(x,y)在全平面有連續偏導數,曲線積分∫Lf(x,y)dx+xcosydy在全平面與路徑無關,且∫(0,0)(t,t2)f(x,y)dx+xcosydy=t2,求f(x,y)。
- 14.設f(x),g(x)二階導數連續,且f(0)=−2,g(0)=0。對於任意一條逐段光滑的封閉曲線L,有∮L2[xf(x)+g(y)]dx+[x2g(y)+2xy2+2xf(y)]dy=0。
- 15.設f(x,y,z)爲連續函數,Σ爲曲面z=21(x2+y2)介於z=2與z=8之間的上側部分,求Σ∬[yf(x,y,z)+x]dydz+[xf(x,y,z)+y]dxdz+[2xyf(x,y,z)+z]dydx。
- 19.設函數f(x,y,z)在區域Ω={(x,y,z)∣x2+y2+z2⩽1}上具有二階偏導數,且滿足∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f=x2+y2+z2,計算I=Ω∭(x∂x∂f+y∂y∂f+z∂z∂f)dxdydz。
- 20.計算曲線積分I=∮Ly2dx+z2dy+x2dz,其中曲線L爲{x2+y2+z2=4,x2+y2=2x(z⩾0),從x軸的正向往負向看去,取逆時針方向。
- 寫在最後
C組
1.設y′=f(x,y)是一條簡單封閉曲線L(取正向),f(x,y)=0,其所圍成區域記爲D,D的面積爲1,則I=∮Lxf(x,y)dx−f(x,y)ydy=______。
解 將邊界方程代入被積函數,於是有
I=∮Lxy′dx−y′ydy=∮Lxdy−ydx=D∬(1+1)dσ=2.
2.設f(x)在[0,1]上連續,證明:∫01dx∫0xdy∫0yf(x)f(y)f(z)dz=3!1[∫01f(t)dt]。
解 因爲f(x)在[0,1]上連續,所以在[0,1]上存在原函數。
設F′(t)=f(t)(t∈[0,1]),則
∫01dx∫0xdy∫0yf(x)f(y)f(z)dz=∫01f(x)dx∫0xf(y)[F(y)−F(0)]dy=∫01f(x)dx∫0x[F(y)−F(0)]d[F(y)−F(0)]=∫01f(x)2[F(y)−F(0)]2∣∣∣∣0xdx=21∫01f(x)[F(x)−F(0)]2dx=21∫01f(x)[F(x)−F(0)]2d[F(x)−F(0)]=3!1[F(x)−F(0)]3∣∣∣∣01=3!1[F(1)−F(0)]3=3!1[∫01f(t)dt].
11.設f(x,y)在全平面有連續偏導數,曲線積分∫Lf(x,y)dx+xcosydy在全平面與路徑無關,且∫(0,0)(t,t2)f(x,y)dx+xcosydy=t2,求f(x,y)。
解 ∫Lf(x,y)dx+xcosydy在全平面與路徑無關⇔∂x∂(xcosy)=∂y∂f,即∂y∂f=cosy,積分得f(x,y)=siny+C。
因
f(x,y)dx+xcosydy=sinydx+C(x)dx+xcosydy=sinydx+xdsiny+d[∫0xC(s)ds]=d[xsiny+∫0xC(s)ds],
則有[xsiny+∫0xC(s)ds]∣∣∣∣(0,0)(t,t2)=t2,即tsint2+∫0xC(s)ds=t2⇒sint2+2t2cost2+C(t)=2t,因此f(x,y)=siny+2x−sinx2−2x2cosx2。
14.設f(x),g(x)二階導數連續,且f(0)=−2,g(0)=0。對於任意一條逐段光滑的封閉曲線L,有∮L2[xf(x)+g(y)]dx+[x2g(y)+2xy2+2xf(y)]dy=0。
(1)求f(x),g(x);
解 由曲線積分與路徑無關,有∂y∂P=∂x∂Q,即2xg(y)+2y2+2f(y)=2xf′(y)+2g′(y),也即2x[g(y)−f′(y)]=−2y2−2f(y)+2g′(y),比較等式兩邊x的同冪次係數,有
{g(y)−f′(y)=0,−2y2−2f(y)+2g′(y)=0,(1)(2)
將(1)兩邊同時對y求導,得g′(y)=f′′(y),代入(2),有f′′(y)−f(y)=y2。
其特徵方程爲r2−1=0,得r1=1,r2=−1,於是齊次方程的通解爲f1(y)=C1ey+C2e−y(3)。
設特解爲f∗(y)=ay2+by+c,代入(3),有a=−1,b=0,c=−2,故f∗(y)=−y2−2,於是通解爲f(y)=C1ey+C2e−y−y2−2,由f(0)=−2,有C1+C2=0,又g(y)=f′(y)=C1ey−C2e−y−2y,由g(0)=0,有C1−C2=0,故C1=C2=0。所以f(y)=−y2−2,g(y)=−2y,也即f(x)=−x2−2,g(x)=−2x。
(2)計算∫(1,1)(0,0)2[xf(x)+g(y)]dx+[x2g(y)+2xy2+2xf(y)]dy。
解 依題設,結合(1),由折線法,(1,1)→(0,1)→(0,0),得
==∫(1,1)(0,0)2[xf(x)+g(y)]dx+[x2g(y)+2xy2+2xf(y)]dy∫(1,1)(0,0)2[x(−y2−2)−2y]dx+[x2(−2y)+2xy2+2x(−y2−2)]dy2∫01(3x+2)dx=7.
15.設f(x,y,z)爲連續函數,Σ爲曲面z=21(x2+y2)介於z=2與z=8之間的上側部分,求Σ∬[yf(x,y,z)+x]dydz+[xf(x,y,z)+y]dxdz+[2xyf(x,y,z)+z]dydx。
解 Σ的單位法向量爲n∘=(−x2+y2+1x,−x2+y2+1y,x2+y2+11),將原給第二型曲面積分化成第一型曲面積分,得原積分=Σ∬x2+y2+z2−x2−y2−zdS。
再將Σ投影到平面xOy,得投影域D={(x,y)∣2⩽x2+y2⩽4}。又dS=(∂x∂z)2+(∂y∂z)2+1dσ=x2+y2+1dσ,從而原積分=−21D∬(x2+y2)dσ=−21∫02πdθ∫24r3dr=−60π。
19.設函數f(x,y,z)在區域Ω={(x,y,z)∣x2+y2+z2⩽1}上具有二階偏導數,且滿足∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f=x2+y2+z2,計算I=Ω∭(x∂x∂f+y∂y∂f+z∂z∂f)dxdydz。
解 設球面Σ:x2+y2+z2=1外側的方向餘弦爲(cosα,cosβ,cosγ),有cosαdydz=cosβdxdz=cosγdydx=dS,故
I=Σ∬(∂x∂fcosα+∂y∂fcosβ+∂z∂fcosγ)dS=Σ∬∂x∂fdydz+∂y∂fdzdx+∂z∂fdxdy.(1)
又由於Σ:x2+y2+z2=1,故還可寫出
I=Σ∬(x2+y2+z2)(∂x∂fcosα+∂y∂fcosβ+∂z∂fcosγ)dS=Σ∬(x2+y2+z2)∂x∂fdydz+(x2+y2+z2)∂y∂fdzdx+(x2+y2+z2)∂z∂fdxdy.(2)
(1),(2)式都用高斯公式,有
=Ω∭(∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f)dv2Ω∭(x∂x∂f+y∂y∂f+z∂z∂f)dxdydz+Ω∭(x2+y2+z2)(∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f)dv
故
I=21Ω∭(∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f)dv−21Ω∭(x2+y2+z2)(∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f)dv=21Ω∭x2+y2+z2dv−21Ω∭(x2+y2+z2)23dv=21∫02πdθ∫0πdφ∫01r3sinφdr−21∫02πdθ∫0πdφ∫01r5sinφdr=2π(41−61).
20.計算曲線積分I=∮Ly2dx+z2dy+x2dz,其中曲線L爲{x2+y2+z2=4,x2+y2=2x(z⩾0),從x軸的正向往負向看去,取逆時針方向。
解 Σ:z=4−x2−y2,以L爲邊界,取上側,由斯托克斯公式,
I=∮Ly2dx+z2dy+x2dz=Σ∬∣∣∣∣∣∣∣∣dydz∂x∂y2dzdx∂y∂z2dxdy∂z∂x2∣∣∣∣∣∣∣∣=Σ∬−2zdydz−2xdzdx−2ydxdy
Σ的法向量爲
n∘=(−zx′,−zy′,1)=(4−x2−y2x,4−x2−y2y,1),Dxy={(x,y)∣(x−1)2+y2⩽1},
故
I=Dxy∬(−24−x2−y2,−2x,−2y)⋅(4−x2−y2x,4−x2−y2y,1)dxdy=Dxy∬(−2x−4−x2−y22xy−2y)dxdy=−2Dxy∬xdxdy=−2∫−2π2πdθ∫2cosθrcosθ⋅rdr=−332∫02πcos4θdθ=−2π.
寫在最後
本章未完,剩餘部分見張宇1000題高等數學第十八章多元函數積分學(一),傳送門在這裏。
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