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第17章 多元函数积分学的预备知识

基础部分

  1. 已知函数在点处可微,,且,则
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答案:

解析:

。由 在原点可微,

因此分子为

故原极限为

  1. 设有直线及平面,则直线() A. 平行于 B. 在上 C. 垂直于 D. 与斜交
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答案:

C。

解析:

直线 是两个平面的交线,其方向向量可取两法向量

的叉积:

平面 的法向量为 ,故直线方向向量与平面法向量平行,所以

  1. 曲面在点处的切平面方程为
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答案:

解析:

将曲面写成

处,

故切平面为

  1. 过点与点且与曲面相切的平面为
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答案:

解析:

设切点为 。曲面的切平面为

代入点 ,分别得到

,并且

,从而

时切平面为 ;当 时切平面为

  1. 已知曲面由方程所确定,则该曲面在点处的切平面方程为
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答案:

解析:

在点 处,

故切平面为

  1. 在点处沿的方向导数为
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答案:

解析:

方向 已是单位方向,因此方向导数等于 。有

  1. 求以为顶点,以曲线是平面截下的有限部分)为准线的锥面方程。
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答案:

参数方程可写为

消去参数后可写为

并附加准线参数限制 ),以及顶点

解析:

准线 可参数化为

连接顶点 与准线上任一点所得直线为

即答案中的参数方程。

,进而

消去 即得

由于原准线只是 的有限弧段,隐式方程还需附加相应参数范围。

  1. ,求
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答案:

不存在。

解析:

先求偏导数:

在原点可微,则应有

但沿 趋近原点时,

从而

在原点不可微,全微分不存在。

  1. 函数在点处的最大方向导数为
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答案:

解析:

,故

可微函数在一点的最大方向导数等于梯度的模,因此

  1. ,则在点处的方向导数的最小值为
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答案:

解析:

在点 处,

,其模为

方向导数的最小值为梯度模的相反数,故为

  1. 为实数,函数在点处的方向导数中,沿方向的方向导数最大,最大值为,求
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答案:

解析:

函数的梯度为

故在

最大方向导数沿梯度方向取得,且其值为梯度的模。题设说明梯度方向与 同向,并且模为 ,所以

因此

  1. 是函数在点处的最大方向导数。(1)求的表达式;(2)求在曲线上的最大值。
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答案:

(1)

(2)

解析:

故最大方向导数为梯度的模:

在圆 上,

由柯西不等式,

且在 处取等号。因此

,即

  1. 设可微函数在平面上任一点处沿轴正向轴正向的方向导数分别为,其中的一阶导数连续,且。(1)求的表达式;(2)判断是否有极值,若有,求之,若无,说明理由。
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答案:

(1),其中 为任意常数;

(2) 无极值。

解析:

由题意,

由于相应偏导连续,应满足混合偏导相等:

分离变量并利用 ,得

,即

积分得

再与 比较可知 ,所以

又因

梯度在任何点都不可能为零,且函数沿 方向严格增加,故无极值。

  1. ,则
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答案:

解析:

处,

故其模为

强化部分

  1. ,曲线上任一点的切线方向始终指向变化率最大的方向,且,则() A. B. C. D.
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答案:

A,即

解析:

函数变化率最大的方向为梯度方向。由于

曲线切线方向 应与 平行,因此

解得

,故

  1. 求曲面上的点到平面的最短距离。
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答案:

解析:

曲面上一点满足

该点到平面的距离为

其最大值由

求得 。此时

因此 ,最小绝对值为 。故

  1. 空间曲线处的切线方程为
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答案:

解析:

为参数,则

时,曲线上点为 ,切向量为

故切线方程为

  1. 曲线在点处的切线方程为
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答案:

解析:

两个曲面的法向量在该点分别为

交线的切向量可取

即与 平行。因此切线方程为答案所示。

  1. 求抛物面上的点到空间图形的形心的最短距离。
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答案:

最短距离为

最近点满足

解析:

区域 关于 轴旋转对称,故形心为 。用柱坐标计算体积:

平面的矩为

所以

抛物面上一点可写为 ,其到形心的距离平方为

,则

处取最小值 ,故最短距离为

  1. 设函数在点附近有定义,且,则曲线在点处的法平面方程为
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答案:

解析:

曲线可参数化为

处的切向量为

法平面以切向量为法向量,故

即答案所示。

  1. 曲面在点处的切平面方程为
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答案:

解析:

在点 处,

故切平面为

  1. 设可微函数满足,则在点处的方向导数的最大值等于() A. B. C. D.
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答案:

B,即

解析:

要使 ,需满足

由此得

对恒等式分别关于 求偏导,在 处有

解得 。因此

最大方向导数为

  1. 在点处的梯度为
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答案:

解析:

由于

处即得

  1. 已知函数可微,其在点处沿从的方向的方向导数为,沿从的方向的方向导数为,则在点处的最大方向导数为
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答案:

解析:

的单位方向向量为 ,故

,即

的单位方向向量为 ,故

,从而

最大方向导数为梯度模:

  1. 函数在点处的最大方向导数为
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答案:

解析:

,故

最大方向导数为

  1. 设可微函数在点处的最小方向导数为是满足为正常数的任意实数,则内积的最大值为() A. B. C. D.
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答案:

B。

解析:

可微函数在一点的最小方向导数为

因此 ,即

当向量 的长度 固定时,由柯西不等式,内积的最大值为

  1. 可微,为曲面上的点,则() A. B. C. D.
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答案:

D。

解析:

函数 可微的定义为

移项后除以 并令 ,正好得到选项 D。

  1. 在曲面上求一点,使函数在该点沿方向的方向导数最大,其中是曲面在点的外侧法向量。
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答案:

所求点为

相应最大方向导数为

解析:

曲面可写为

在给定点 处,外法向量可取

相应单位向量为

故沿 方向的方向导数为

只需在约束 下最大化 。由拉格朗日乘数法,最大值在 时取得,并有

结合约束可得

此时 ,所以最大方向导数为

  1. ,则
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答案:

解析:

在点 的邻域内,。记

代入