第17章 多元函数积分学的预备知识
基础部分
- 已知函数在点处可微,,,,且,则
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答案:
。
解析:
令 。由 在原点可微,
。
因此分子为
。
又
,
故原极限为 。
- 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 。
- 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
。
在 处,
。
故切平面为
,
即 。
- 过点与点且与曲面相切的平面为
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答案:
或 。
解析:
设切点为 。曲面的切平面为
。
代入点 与 ,分别得到
。
故 ,并且
,从而 或 。
当 时切平面为 ;当 时切平面为
。
- 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:
令
。
则
。
在点 处,
。
故切平面为
。
- 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
。
故
。
- 求以为顶点,以曲线(是平面上被截下的有限部分)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。
由 得 ,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。
- ,求
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答案:
不存在。
解析:
先求偏导数:
,
。
若 在原点可微,则应有
。
但沿 趋近原点时,
,
从而
。
故 在原点不可微,全微分不存在。
- 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
。
- 设,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 。
- 设为实数,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 处
。
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 。
- 设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:
有
,
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 。
- 设可微函数在平面上任一点处沿轴正向与轴正向的方向导数分别为与,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:
。
故
。
分离变量并利用 ,得
,即
。
由 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。
- 设,则
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答案:
。
解析:
记
。
则
。
在 处,
,
故其模为 。
强化部分
- 设,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
。
由 得 ,故 。
- 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
。
令
。
其最大值由
求得 。此时
。
因此 ,最小绝对值为 。故
。
- 空间曲线在处的切线方程为
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答案:
。
解析:
以 为参数,则
。
当 时,曲线上点为 ,切向量为
。
故切线方程为
。
- 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。
- 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:
。
对 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
。
令 ,则
。
在 处取最小值 ,故最短距离为 。
- 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
。
在 处的切向量为
。
法平面以切向量为法向量,故
,
即答案所示。
- 曲面在点处的切平面方程为
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答案:
。
解析:
令
。
则
。
在点 处,
。
故切平面为
。
- 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 。
- 在点处的梯度为
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答案:
。
解析:
由于
,
故
。
在 处即得
。
- 已知函数可微,其在点处沿从到的方向的方向导数为,沿从到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:
设 。
从 到 的单位方向向量为 ,故
,即 。
从 到 的单位方向向量为 ,故
,从而 ,。
最大方向导数为梯度模:
。
- 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
。
- 设可微函数在点处的最小方向导数为,且,是满足为正常数的任意实数,则与内积的最大值为() 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
。
- 设可微,,为曲面上的点,则() A. B. C. D.
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答案:
D。
解析:
函数 在 可微的定义为
。
移项后除以 并令 ,正好得到选项 D。
- 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 。
又
,
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
。
- 设,则
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答案:
。
解析:
在点 的邻域内,。记
。
则
。
代入 得
。