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第8章 一元函数积分学的概念与性质

基础部分​

  1. 设函数 在区间 上连续,则

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

B。

解析:

将 等分为 个小区间,每个小区间长度为 。取样点

,

它位于第 个小区间 内。因此

。

A 中各项所乘的小区间长度为 ,总长度仅为 ;C、D 的权重也不是对应等分长度,故均不正确。

  1. 计算

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

原式可写为

。

这是函数 在 上的黎曼和。虽然 在 处无界,但

,

故可将 补定义为 ,从而

。

分部积分得

。

  1. 甲、乙两人赛跑,图中实线和虚线分别为甲和乙的速度曲线(单位:),三块阴影部分面积依次为 ,且当 时,甲在乙前面 处,则在 上,甲、乙相遇的次数为

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

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答案:

按当前题干与配套图,应为 次,现有选项中无正确项。

若原题中的“甲在乙前面 ”应为“甲在乙后面 ”,则答案为 B,即 次。

解析:

设甲、乙的位置之差为

,

则

。

配套图中,实线在三段内相对虚线的位置依次为上、下、上,所以 的有向面积依次为 。

按当前题干,,于是

,

,

。

每一段内 单调,且始终为正,因此甲一直在乙前面,两人相遇 次。这与选项 A—D 冲突,说明题干或选项存在错误。

若把初始条件改为甲在乙后面 ,则 ,三个节点处依次为 ,前两段各发生一次过零,第三段不过零,共相遇 次。

  1. 设

,

,

,

则

A.

B.

C.

D.

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答案:

C。

解析:

记 ,则 为奇函数。

由于 为偶函数, 为奇函数,所以

。

对 ,将 分成偶部与奇部,得

。

又因 在 上递增,故

。

于是

。

另一方面,(),故

。

因此 。

  1. 设 是 内的正值连续函数,且 ,

,

则 和 的可能取值是

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

因为 ,所以

,

。

又因 严格递减,且两个积分区间长度均为 ,所以

,

即

。

四组选项中只有 满足上述符号和大小关系。

  1. 设

若 收敛,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

按现有题干,A、B、C、D 均收敛,题目无唯一正确选项。

解析:

当 时,

,

且反常积分

收敛。因此将 后, 在 处连续;在其他有限点也连续。

四个选项给出的积分区间均为有限区间,故四个积分都存在且收敛。原题很可能漏掉了一个关于积分值的附加条件;仅凭当前题干不能选出唯一答案。

  1. 设函数 在 上连续,若在 内 ,则对任意 ,有

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

在 时,有 。又因 ,所以 单调不减,从而

。

在固定方向的区间 上积分,得到

。

故 A 正确。B、C 中当 时积分上下限倒置,不能对所有给定 保持所写不等号。

  1. 若 是 的一个原函数,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

C。

解析:

由原函数定义,

。

当 时,

,

故

。

  1. 计算

。

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答案:

。

解析:

原式为

。

它对应广义积分 的黎曼和。该反常积分收敛,故

。

  1. 设 是 上可导的奇函数,任意 均有

,

且 ,则以下是偶函数的是

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

因为 为奇函数,

。

在函数关系中令 ,得

,

故 。于是

,

即 以 为周期,且 也以 为周期。又因为 为奇函数,所以 为偶函数。

A 中的被积函数化为

,

它是奇函数。奇函数从 到 的变上限积分是偶函数,因此 A 正确。

B、D 的被积函数为偶函数,其变上限积分为奇函数;C 的被积函数由一偶一奇两部分组成,一般不具确定奇偶性。

  1. 设 是实数集上连续的偶函数,在 上有唯一零点 ,且 ,则函数

的严格单调增区间是

A.

B.

C.

D.

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答案:

C。

解析:

由 ,可知 在 附近由负变正。又因为 是 内唯一零点,所以

,

。

由于 是偶函数,其在正半轴上的符号关于原点对称,因此

,

。

由微积分基本定理,,故 的严格单调增区间为 。

  1. 设 在 上单调连续,,,且对任意 总有

,

是 的反函数,

,

则

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

由 且 单调可知, 严格递增。题设中点不等式说明 严格凹。

函数与其反函数的积分恒等式为

,

故

。

严格凹函数的图像位于端点连线之上,而端点连线为

。

因此

,

从而 。又 (),故 。所以 。

  1. 下列反常积分中,发散的是

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

A 中指数衰减快于多项式增长,积分绝对收敛。

B 中 在两端可积,故绝对收敛,积分值为 。

C 中当 时,

,

故绝对收敛。

D 中

。

虽然其柯西主值为 ,但通常意义下的广义积分要求左右两部分分别收敛,故 D 发散。

  1. 若反常积分

收敛,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

按现有选项无正确项;正确条件为 。

解析:

当 时,

。

由幂函数型反常积分判别, 收敛当且仅当 。

当 时,

。

无穷远处收敛要求 ,即 。

两端同时收敛的充要条件为

。

C 错在包含 ,D 错在包含 ,因此题目选项存在边界错误。

  1. 下列反常积分收敛的是

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

A 的原函数为 ,当 时趋于 ,故发散。

B 为高斯型积分, 在无穷远处快速衰减,积分收敛。

C 在 附近

,

故发散。

D 在 附近

,

故

,

积分发散。

  1. 计算

。

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答案:

。

解析:

将每一项提出 ,原式化为

。

这是函数 在 上的黎曼和,因此

。

几何上,该积分等于单位圆第一象限四分之一圆的面积。

  1. 计算

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

原式可写为

。

由黎曼和定义,

。

令 ,得

。

  1. 定积分

的值满足

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

函数 在 上单调递减,因此

。

区间长度为 ,故

,

即

。

  1. 设 为 上可导的奇函数,则下列函数为奇函数的是

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

因为 为奇函数,所以 ,且 为偶函数。

A 中

,

故该函数为 。两个奇函数的乘积为偶函数。

B 中 仍为奇函数,奇函数从 到 的积分为偶函数。

C 中

,

前一项为奇函数,后一项为偶函数,一般不具有确定奇偶性。

D 中 为偶函数,偶函数从 到 的变上限积分为奇函数。因此选 D。

  1. 设

,

,

,

则有

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

为奇函数,故

。

在 中, 为奇函数,积分为 ; 为偶函数,因此

。

在 中, 为奇函数,积分为 ,故

。

事实上 。因此

。

  1. 设常数 使反常积分

收敛,则

A. 且

B. 且

C. 且

D. 且

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答案:

B。

解析:

当 时,

,

故被积函数等价于常数倍的

。

在 附近收敛要求

。

当 时,令 ,则

,

且 。因此被积函数等价于常数倍的

。

在 附近收敛要求

,即 。

所以应满足 且 。

  1. 设

,

其中 表示不超过 的最大整数,则

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答案:

。

解析:

记 。当 时,,故

。

当 时,,故

。

变上限积分的一侧导数分别等于被积函数在该点的一侧极限,因此

,

。

故

。

  1. 下列命题中不成立的是

A. 若 连续,,则 是 的一个原函数

B. 若 可积,,则 在 内存在原函数

C. 若 连续且为奇函数,,则

D. 若 连续, 为其周期,则

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答案:

B。

解析:

A 是微积分基本定理的直接结论。

B 不成立。可积函数不一定有原函数。例如阶跃函数虽然黎曼可积,但具有跳跃间断点;而导函数具有达布性质,不可能出现跳跃,因此该函数不可能是某个函数的导数。

C 是奇函数在对称区间上的积分性质。

D 是周期函数在任意一个完整周期上的积分不变性。

  1. 设

,

则

A. 为反常积分,且发散

B. 为反常积分,且收敛

C. 不是反常积分,且其值为

D. 不是反常积分,且其值为

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答案:

A。

解析:

令 ,则原关系给出

。

因此

。

被积函数在积分区间内部 处有无穷间断点,所以该积分是反常积分。且在 附近被积函数与常数倍的 同阶,左右两侧积分均不收敛,故该反常积分发散。

  1. 下列表达式中正确的是

A.

B.

C. ,其中 , 在 上连续

D. ,其中 在 上连续

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答案:

B。

解析:

A 中

,

而

,

故 A 错误。

B 左端被积函数 为奇函数,所以左端积分为 。右端第一项为奇函数,积分为 ;第二项为正函数,故右端积分严格大于 。因此 B 正确。

C 未要求 ,扩大积分区间后积分值不一定增大。

D 只有在 为偶函数,即 时才成立;一般连续函数不满足该条件。

强化部分​

  1. 计算

。

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答案:

。

解析:

将与 无关的分子提出,得

。

第一因子满足

。

第二因子是黎曼和:

。

令 ,则

。

利用 ,得

。

因此原极限为

。

  1. 设 连续,则

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

令

,

则

。

故原和式为

,

这是函数 在 上的中点型黎曼和。因此极限为

。

  1. 设 在 上可积,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

C。

解析:

可积函数在闭区间上有界,设 。当 足够大时,括号内恒为正。利用

,

且余项对 一致成立,有

。

求和后,全部余项为 。因此

。

右侧黎曼和趋于 。

  1. 设

,

,

,

则

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

在 中令 ,则

。

又由部分分式

,

得

。

下面判断 的符号。将 上的积分作代换 ,得

。

在 时, 且 ,故括号内为正,因此 。于是

。

  1. 设

,

,

则

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

A。

解析:

对 令 ,得

。

将第二个半周期与第一个半周期配对:

。

当 时,括号内为正,且 ,故 。

对 ,在积分区间内 ,所以被积函数恒正,直接得到 。也可计算

,

从而 。

  1. 设 在 上连续,且

,

则

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答案:

。

解析:

因为

,

题设不等式可改写为

,

即

。

被积函数非负,因此积分只能等于 。又因 连续,故必有

,

即 。

  1. 设

,

,

则在 内

A. 是可导的奇函数

B. 是可导的偶函数

C. 是奇函数且 不存在

D. 是偶函数且 不存在

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答案:

B。

解析:

由于 ,所以 为偶函数,而不是奇函数。且当 时,

,

故 不存在。

同理, 由上限 决定,故为偶函数。又因

,

所以

。

因此

,

即 。在 处由复合函数求导也可知 可导,故 B 正确。

  1. 设

,

求 的表达式。

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答案:

按积分变量应理解为哑变量,即

。

共有两组解:

,

,

其中 (若仅讨论根式定义域,可写 )。

解析:

令

,

则

。

代回 的定义:

。

利用

,

,

,

得到

。

因此

,

解得

。

分别代入即得上述两组函数。

  1. 设常数 ,则

A. 仅与 有关

B. 仅与 有关

C. 与 均有关

D. 与 均无关

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答案:

C。

解析:

当 时,,故被积函数与 同阶,积分在 附近收敛。

积分上限直接含有 ,改变 会改变积分区间,因而一般会改变积分值;同时被积函数中的阶梯函数 随 改变,其跳跃点 也随之改变。因此该积分一般同时依赖于 和 。

  1. 设 为正常数,若

收敛,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

在 时,,故被积函数与 同阶。该端点收敛要求

。

在 时,令 ,则

,

积分尾部化为

。

因 ,该积分在无穷远处收敛要求 ;若 ,则要求 ,但这与 处所需的 矛盾。

故整体收敛必有 。

  1. 若函数

存在,则该函数的最小值点为

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

令 ,则

。

该积分存在当且仅当 ,且

。

取对数:

。

求导得

。

令 ,得

。

由于 ,所以 ,从而 。且导数在 左负右正,故该点为唯一最小值点。

  1. 设 为常数,若反常积分

收敛,则 的取值范围是

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

当 时,,被积函数与 同阶。该端点收敛要求

。

当 时,,故被积函数与

同阶。该端点收敛要求

。

因此

。

  1. 设非负函数 在 上具有有界导数,给出以下四个命题:

①若 收敛,则 收敛;

②若 收敛,则 收敛;

③若 存在,则 收敛;

④若 收敛,则 存在。

其中,真命题的个数为

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

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答案:

B,即有两个真命题:②、③。

解析:

①错误。取

,

则 ,导数有界, 收敛,但 发散。

②正确。导数有界说明 一致连续。非负函数的广义积分收敛时,由一致连续性可得 ,因而 在 上有界。设 ,则

,

由比较判别法知 收敛。

③正确。若有限极限 存在,则存在 ,使充分大时

,

故积分由比较判别法收敛。

④错误。可构造一列互不相交的三角形小峰:在 处峰高取 ,两侧斜率绝对值不超过 ,峰宽取 。则导数有界,峰面积之和与 同阶,故积分收敛;但在峰顶 ,在峰间又等于 ,所以 无极限。

  1. 若反常积分

收敛,则 的取值范围是

查看答案与解析

答案:

。

解析:

当 时,

。

因此

,

进而

。

故原被积函数与常数倍的 同阶。无穷远处的幂函数积分收敛要求

,

即 。

  1. 下列反常积分中发散的是

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

A 在 附近与 同阶,在无穷远处有指数衰减,故收敛。

B 在 附近连续,在无穷远处有指数衰减,故收敛。

C 在 处出现内部奇点。由于 ,

,

故积分发散。

D 在 处连续;令 ,则

,

故收敛。

  1. 下列反常积分中收敛的是

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

在 时,A、B、C 的被积函数均与常数倍的 同阶,因此在下端点均可积;D 与 同阶,故在 处发散。

在 时,A、B 均与 同阶,故发散;C 与 同阶,故收敛。

因此只有 C 在两个端点都收敛。

  1. 设 满足

,

。

(1) 求 的表达式及定义域;

(2) 记 ,求 。

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答案:

(1)

由初值问题直接确定的解区间为 ;在 处作连续补定义后可写在 上。若要求按同一公式作最大连续延拓,则可延拓至 。

(2) 。

解析:

将微分方程除以 (先在 上讨论),得

。

积分因子为 ,故

。

积分得

。

利用 ,得 ,于是

。

又

,

故补定义 后连续。

由于 在 连续,由微积分基本定理,

。

  1. 设

,

求:

(1) 的表达式;

(2) 曲线 的拐点。

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答案:

(1) ;

(2) 唯一拐点为 。

解析:

和式可写为

。

这是函数 在 上的黎曼和,因此

。

令 ,无论 正负均可得到

。

设

。

由于 ,有

,

继而

。

当 时,,从而 ,故 ;当 时,,从而 ,且 ,故 。

在 时, 且 ,凹凸性在此改变。因此唯一拐点为 。

  1. 设 ,,且 ,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

由 及 ,可得

,

在其定义域内,对固定的 , 是与 无关的常数。

利用求和公式,

,

即

。

因此原式等于

。