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第三章 一元函数积分概念、计算及应用

选择题​

  1. 设 为连续函数,

则 的值

A. 依赖于 和 ;    B. 依赖于 ;
C. 依赖于 ,不依赖于 ;    D. 依赖于 ,不依赖于 。
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答案: (A)

解析: 令 ,则 。当 时 ,当 时 ,所以

因此, 一般通过积分上限 同时依赖于 和 。原式中的 只是积分变量,积分完成后结果不依赖于 。故选(A)。


  1. 下列函数中在 上定积分不存在的是

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案: (D)

解析: 逐项判断其在闭区间上的黎曼可积性。

  • (A)当 时,,故函数在 上连续,从而定积分存在。
  • (B)函数有界,仅在 处不连续。单个间断点不影响黎曼可积性,故定积分存在。
  • (C)函数分段连续,仅在 处可能有跳跃间断,故在闭区间上可积。
  • (D)当 时,

其中第二项在 时无界,因此该函数在 上无界。闭区间上的黎曼可积函数必须有界,所以其定积分不存在。

故选(D)。


  1. 下列函数中在 不存在原函数的是

A.

B. ;

C.

D.

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答案: (C)

解析: 导函数必具有介值性,即满足达布定理。因此,若一个函数在某点发生第一类跳跃间断,则它不可能是某个函数的导函数,也就不存在原函数。

  • (A)利用展开式

得

所以 在 连续,在区间上存在原函数。

  • (B) 是连续函数,故存在原函数。
  • (C)当 时,

因而

当 时,

因而

左、右极限不相等,函数在 处发生跳跃,违反导函数的介值性,故不存在原函数。

  • (D)虽然 在 处不连续,但它分段连续,故

是连续函数。任意连续函数均存在原函数,因此(D)存在原函数。

故选(C)。


  1. 积分

的值

A. 与 有关;    B. 是与 无关的负数;    C. 是与 无关的正数;    D. 为零。
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答案: (C)

解析: 被积函数

是以 为周期的连续函数,所以在任意长度为 的区间上的积分相同,即积分值与 无关。

只需判断

的符号。由对称性,

再将区间 关于 配对,得到

在 上,,且

所以被积函数为正,从而 。

因此该积分是与 无关的正数,故选(C)。


  1. 设常数 ,

则

A. ;    B. ;
C. ;    D. 与 的大小与 的取值有关。
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答案: (D)

解析: 考察参数 在两个极端情形下的积分值。

当 时,对任意 ,有 。由有界收敛定理,

而

所以当 充分小时,。

当 时,除 外,

于是

由于

故当 充分大时,。

因此, 与 的大小会随 的取值而改变,故选(D)。


  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)令 ,则

因为 ,故积分收敛。

  • (B)令 ,则

故收敛。

  • (C)

故收敛。

  • (D)当 时,,从而

而 发散,因此在 处分开的两个反常积分均不收敛。尽管其柯西主值可能存在,但通常意义下的反常积分发散。

故选(D)。


  1. 设

则 在 处

A. 极限不存在;    B. 极限存在但不连续;    C. 连续但不可导;    D. 可导。
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答案: (C)

解析: 由于

且函数关于 为偶函数,只需先考虑 。利用原函数

可得

又

当 时,

故 。由偶对称性可知 在 处连续。

再求单侧导数。由上式,当 时,

因此

由于 是偶函数,

左右导数不相等,所以 在 处不可导。

故选(C)。


  1. 设

连续,则

A.

B.

C.

D.

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答案: (A)

解析: 由变上、下限积分求导公式,若

则

本题中

所以

因此

故选(A)。

填空题​

  1. 题目如下:
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答案:

解析: 观察到

因此

本题关键是识别商的导数结构。


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 记

将其写成

分部积分,取

则

于是

所以

从而得到所求结果。这里还可利用

写成等价形式。


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 由乘积求导公式,

故

在实数范围内,原题中的 要求 。


  1. 题目如下:
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答案: 按现有题面,该积分一般不能用初等函数表示;题目疑似存在漏项或录入错误。

解析: 若令

希望其导数等于题中被积函数,则 必须满足

该一阶线性方程的积分因子正是 ,其通解为

并不能把原积分化为常见初等函数。

例如,容易误写成

但直接求导得到

比原被积函数多出一项

因此该结果并不成立。按现有题面只能保留为一个非初等原函数;若原题被积函数含有上述漏项,则原函数才是


  1. 设 连续,,则
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答案:

解析: 对

求导,有

故原积分为


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 展开被积函数:

其中

是奇函数,在对称区间 上积分为零。因此


  1. 题目如下:
查看答案与解析
答案:

解析: 令

当 时 ,当 时 。于是

故结果为


  1. 题目如下:
查看答案与解析
答案:

解析: 令

当 时 ,当 时 。因此

注意

故


  1. 题目如下:
查看答案与解析
答案:

解析: 分部积分,取

则

所以

令 ,则

故


  1. 题目如下:
查看答案与解析
答案:

解析: 令

则

因此


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 若 为奇数,则令 ,有

从而被积函数关于该变换变号,故积分为零。

若 为奇数,则分别考察区间 与 。在前一区间作变换 ,在后一区间作变换 。两种变换均使 不变而使 变号,因此两个半区间上的积分都为零。

因此只要 中至少一个为奇数,就有


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 令

当 时 ,当 时 ,且

又因为 ,所以

故

于是


  1. 设 满足

则

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答案:

解析: 由可微的定义可知

注意到

故

由 得 ,所以

因此

该积分表示单位圆上半圆在 上对应的四分之一圆面积,故


  1. 设 在 上连续可导,,且

则

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答案:

解析: 因为

所以分部积分得

由 及题设积分等于 ,可得


  1. 设 具有连续导数,且

若当 时 与 为等价无穷小,则

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答案:

解析: 由莱布尼茨公式,

由于 在 处可导,

于是

又因 ,故

从而


  1. 求
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答案:

解析: 当 时,

因此当 时,

于是

所以

也可用洛必达法:对分子、分母求导一次,得到


  1. 已知

则

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答案:

解析: 令

则

积分区域为

交换积分次序,得


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 令

则

因此


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 原积分为

作分部积分,取

则

端点项满足

故


  1. 题目如下:
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答案:

解析: 观察到

因此


  1. 曲线

的长度 。

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答案:

解析: 由参数方程求导,得

因此弧长微元为

其中 ,且通常取 。故


  1. 曲线 在任意点处的曲率为 。
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答案:

解析: 将曲线写成以 为参数的形式:

于是

对于参数曲线 ,其曲率为

代入得

又因 ,故也可写为

计算题​

  1. 已知 是 的一个原函数,求
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答案:

解析: 由题意,

先对原积分分部积分:

其中

且

因此

代回得


  1. 求
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答案:

解析: 先分解分母:

作部分分式分解可得

又

所以

分别积分,得到


  1. 求
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答案:

解析: 令

注意到

从而

因此


  1. 求
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答案:

解析: 观察函数

求导得

因此


  1. 求
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答案:

解析: 令

则

再令

于是

由

故


  1. 求
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答案:

解析: 令

则

展开得

逐项积分:

代回 ,即得


  1. 求
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答案:

解析: 由

可知被积函数关于 对称,因此

令

当 时,。于是

故


  1. 求
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答案:

解析: 令

当 时 ,当 时 ,故

分部积分,取

则

因此


  1. 求定积分:

(Ⅰ)

(Ⅱ)

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)由

得分界点为

因此

被积函数是偶函数,故

(Ⅱ)当 时,积分区间内 ,所以

于是

当 时,应在 处分段:

因此


  1. 设 为正整数,利用已知公式

其中

求下列积分:

(Ⅰ)

(Ⅱ)

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)利用倍角公式

得

令

则

代入已知公式即得

(Ⅱ)因为

且被积函数为偶函数,所以

令

则

由于 为奇数,故

因此


  1. 设函数 在 内满足

且 ,,求

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答案:

解析: 先根据递推关系分别求出 与 上的函数表达式。

当 时,,所以

于是

当 时,,故

其中使用了

因此


  1. 求无穷积分
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答案:

解析: 注意到

因此对任意 ,有

又

故


  1. 设

求 的不定积分 。

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答案:

解析: 当 时,

当 时,令

则

由于

原函数应在 处连续。两段原函数在 处的值分别为

故必须有

记公共常数为 ,即得所求分段原函数。


  1. 设

求

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答案:

解析: 由分部积分,取

则

又因为 ,所以

故

令

则

再令

得到

利用

可得


  1. 设 , 在 上有连续导数,求极限
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答案:

解析: 对积分中的两项分别换元。第一项令 ,第二项令 ,则

由于 在 处可导,故当 时

于是

两式相减得

因此


  1. 求

其中 为已知的连续函数, 为已知的可微函数。

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答案:

解析: 记

应用莱布尼茨公式,得

其中上限处的边界项为零,是因为当 时


  1. 设 在 连续,在点 处可导,且 ,令

(Ⅰ)试求 的值,使 在 上连续;

(Ⅱ)求 并讨论其连续性。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

且 在 上连续。

解析: 由于 ,且 在 处可导,所以

从而

因此

故要使 在 处连续,必须且只需取

当 时,由商法则和变上限积分求导公式,

当 时,利用导数定义,

最后考察 在 处的连续性。由

得

在 处, 由连续函数构成,因此连续。故 在整个实数轴上连续。


  1. 设 时, 连续且 ,又满足

求 。

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答案:

解析: 令

则

原方程平方后得到

对 ,由 可知 ,且 。令

则

代入方程得

在 时约去 ,并结合 ,得到

又因 ,故

于是

从而

直接检验:

故结果成立。

注意:由原方程在 处必有 ,因此题面中的 应理解为 时 。


  1. 求函数

在区间 上的最大值。

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答案: 最大值在 处取得,且

解析: 由微积分基本定理,

在区间 上,,且 ,故

所以 在 上严格单调增加,其最大值在右端点 处取得。

下面计算

分部积分,取

则

因此

故

利用

可化为

以及

所以


  1. 设 与 在 的某邻域内连续,,求
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答案:

解析: 对分子作换元

当 时,;当 时,。因此

由 在 处连续,利用积分中值定理,存在

使得

又因 ,故

对分母同样利用积分中值定理,存在 介于 与 之间,使得

当 时,,从而

因此

其中 保证了极限中的分母在充分靠近 时不为零。

应用题​

  1. 求星形线

所围区域的面积 。

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答案:

解析: 星形线关于两个坐标轴均对称,只需求第一象限部分的面积再乘以 。

采用参数方程

当 从 增加到 时, 从 减少到 ,且

第一象限面积为

利用三角函数积分公式

得到

故星形线所围总面积为


  1. 求下列旋转体的体积 :

(Ⅰ)由曲线 、 所围图形绕 轴旋转所成旋转体;

(Ⅱ)由曲线

及 所围图形绕 轴旋转的旋转体。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析:

(Ⅰ)​

两曲线在第一象限内的交点由

联立得到

在 上,区域的上边界为

下边界为

绕 轴旋转,采用圆环法:

(Ⅱ)​

该曲线是一拱摆线。先求摆线一拱与 轴所围图形的面积:

由于

故

摆线一拱关于直线

对称,因此该平面图形的形心横坐标为

图形绕 轴旋转时,形心运动路程为

由古尔丁定理,旋转体体积为


  1. 设两点 与 的连线 绕 轴旋转一周而成的旋转曲面为 ,求曲面 与 、 围成的立体的体积。
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答案:

解析: 线段 可参数化为

由于 ,故在高度 处,线段上的点为

该点到 轴的距离即旋转截面的半径:

因此,垂直于 轴的截面是半径为 的圆,其面积为

于是所求体积为


  1. 求双纽线

绕极轴旋转所成的旋转曲面的面积。

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答案:

解析: 双纽线有左右两个关于原点对称的叶片。绕极轴(即 轴)旋转时,只需取每个叶片位于 轴上方的一半曲线生成曲面;下半部分旋转后与上半部分生成同一曲面。

先计算右叶片。其上半支对应

极坐标曲线的弧长微元为

由

得

因此

从而

曲线上一点到极轴的距离为

故右叶片旋转曲面的面积为

左右两个叶片生成的曲面面积相等,且除原点外互不重叠,因此总面积为


  1. 求功:

(Ⅰ)设半径为 的球正好有一半沉入水中,球的比重为 ,现将球从水中取出,问要做多少功?

(Ⅱ)半径为 的半球形水池,其中充满了水,要把池内的水全部取尽需做多少功?

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

若水的重量密度为 ,则第二问应为

解析:

(Ⅰ)​

以水面为高度零点,设球心被缓慢提升到水面上方 处,其中

球的半径为 ,比重为 ,故球的重量为

当球心高度为 时,球浸入水中的部分是高为

的球缺。半径为 、高为 的球缺体积为

取 ,可得浸水部分体积

在准静态提升过程中,浮力等于排开水的重量,故外力为

于是

(Ⅱ)​

设水面为 ,竖直向下取深度 ,则

深度为 处的水平水层半径为

故截面积为

厚度为 的水层体积为

该水层需提升的距离为 。在水的重量密度取 时,所需功为


  1. 求引力:

(Ⅰ)在 轴上有一线密度为常数 、长度为 的细杆,在杆的延长线上离杆右端为 处有一质量为 的质点 ,求证:质点与杆间的引力为

其中 为杆的质量。

(Ⅱ)设有以 为心、 为半径、质量为 的均匀圆环, 垂直圆面,,质点 的质量为 ,试导出圆环对 点的引力公式

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

方向由 指向圆心 。

解析:

(Ⅰ)​

建立坐标轴,使细杆占据区间

质点 位于

取杆上位置 处长为 的微元,其质量为

该微元到质点 的距离为

根据万有引力定律,引力微元为

各微元产生的引力方向相同,因此

又因

所以

(Ⅱ)​

取圆环上一质量微元 。该微元到质点 的距离恒为

其对 的引力大小为

由于圆环关于轴 旋转对称,各引力微元垂直于 的分量相互抵消,只需累加沿 的分量。设引力微元与轴 的夹角为 ,则

故轴向分量为

对整个圆环积分,得到


  1. 过曲线 ()上某点 作一切线,使之与曲线及 轴围成图形面积为 ,求:

(Ⅰ)切点 的坐标;

(Ⅱ)过切点 的切线方程;

(Ⅲ)由上述图形绕 轴旋转的旋转体的体积。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

解析: 设切点为

抛物线 在该点处的切线为

即

切线与 轴的交点横坐标满足

故

所围图形面积应分为两部分:

注意

于是

由题意

所以

因此

且切线方程为

将所围图形绕 轴旋转。对

截面为半径 的圆;对

截面为外半径 、内半径 的圆环。因此


  1. 设常数 ,曲线

的弧长为 。

(Ⅰ)求证:

(Ⅱ)求定积分

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析:

(Ⅰ)​

由

可得

两边对 求导:

因此

于是

直接化简分子:

故

从而弧长

(Ⅱ)​

令

当

时,;当

时,。又有

并且

因此


  1. 设 为非负连续函数,且满足

求 在 上的平均值。

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答案:

解析: 作变量替换

则

令

由于 连续,故

原方程化为

因此

从而

当 时,利用

得到

由于 ,故 ,于是

函数 在 上的平均值为


  1. 已知抛物线

经过点 ,且在该点与圆

相切,有相同的曲率半径和凹凸性,求常数 。

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答案:

解析: 抛物线经过点 ,故

圆的方程为

两边对 求导,得

因此

在点 处,

由于抛物线与圆在该点相切,二者切线斜率相同,所以

再对圆的一阶导数关系求导:

在点 处,代入 ,得

故圆在该点的二阶导数为

这说明圆在该点为凹向上。

曲率公式为

因为两曲线在该点斜率相同、曲率半径相同且凹凸性相同,所以其有符号二阶导数也相同。抛物线的二阶导数为

因此

从而

由式(2)得

所以

再由式(1)得

故

证明题​

  1. 设 , 在 连续,求证:

(Ⅰ)

(Ⅱ)又设

则

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答案: (Ⅰ)结论成立。

(Ⅱ)按现有题面条件,结论一般不成立;题面应存在条件或积分限的缺漏。

解析:

(Ⅰ)​

令

则

当 时,;当 时,。因此

故结论成立。

(Ⅱ)​

现有条件

仅表示函数在对数变量下关于 对称,并不足以推出题中两个积分相等。

取任意 且 ,令

则 在 连续,并且

设

作代换 ,则 。于是

而

当 时,,两者不相等。因此(Ⅱ)按现有题面无法证明,原题应存在印刷或转录错误。


  1. 设 在 上连续,,且

求证:在 上 。

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答案:

解析: 采用反证法。假设 在 上不恒为零,则存在 ,使得

由于 在 上连续,故存在 的一个邻域与常数 ,使得在

上恒有

该区间的长度为正,因此

这与已知

矛盾。

故假设不成立,从而


  1. 证明

其中 为自然数。

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答案:

解析: 由欧拉公式,

于是

比较虚部,得

因此

记

下面证明

由帕斯卡公式

可得

而二项式系数中奇数项之和为

故

又

所以递推得到

于是


  1. 证明定积分
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答案:

解析: 令

则

因此

将积分区间分成 与 :

在第二个积分中令

则

故

于是

当 时,

且

因此被积函数在 上恒为正,从而


  1. 证明:

(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

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答案:

且

解析: 上述积分在端点处均为收敛的反常积分。

(Ⅰ)令

则

于是

故

(Ⅱ)令

则

再将区间分成两部分:

第二项令

利用

得

因此

从而

(Ⅲ)记

由(Ⅰ),

两式相加,得

由(Ⅱ),

故

于是


  1. 证明
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答案:

解析: 由

可写成

因此分部积分得

于是

故所证不等式成立。


  1. 证明
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答案:

解析: 虽然分母在端点处为零,但

且

故端点均为可去间断点,积分存在。

记

作代换

由于

而

所以

因此


  1. 已知一条抛物线通过 轴上两点 、,方程为

求证:两坐标轴与该抛物线所围成的面积等于 轴与该抛物线所围成的面积。

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答案: 两部分面积均为

解析: 因题设曲线为抛物线,故

在区间 上,

两坐标轴与抛物线围成的面积为

在区间 上,

抛物线与 轴所围成的面积为

因此

即两坐标轴与该抛物线所围成的面积等于 轴与该抛物线所围成的面积。


  1. 设 在 连续,且对任意 均有

为正的常数,求证:

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答案:

解析: 将区间 等分为 个小区间,则

同时,

因此

由题设的 Lipschitz 条件,

当

时,

故

故所证不等式成立。


  1. 设函数 与 在区间 上连续,证明:
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答案:

解析: 对任意实数 ,由平方非负可得

展开得

记

于是对任意 ,均有

若 ,由于 且连续,所以 ,从而 ,所证不等式显然成立。

若 ,上述关于 的二次式恒非负,因此其判别式不大于零:

故

即

这就是积分形式的柯西—施瓦茨不等式。


  1. 设 在 有连续的导数,求证:
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答案:

解析: 任取 。对任意 ,由牛顿—莱布尼茨公式,

于是

两边取绝对值,得

又因为

所以

该不等式对任意 都成立。又因 连续, 在闭区间上能取得最大值,因此

证毕。