西北大学数学分析考研试题

西北大学2010年招收攻读硕士学位研究生试题科目名称：数学分析 科目代号：622 适用专业：数学系各专业1.证明：若函数()f x 在[],a b 上连续，则()f x 在[],a b 上必有最大值和最小值.（15分）证：因为函数()f x 在[],a b 上连续 所以()f x 在[],a b 上有界于是由确界原理知，()f x 在[],a b 上有上确界，记之为M下证：存在[],a b ξ∈，使得()f M ξ=，否则，对一切[],x a b ∈，都有()f x M < 令[]1(),,()g x x a b M f x =∈-则()g x 为[],a b 上的连续函数于是()g x 在[],a b 上有上界，不妨设G 为()g x 在[],a b 上的一个上界 则对任意的[],x a b ∈，都有10()()g x G M f x <=≤- []1(),,f x M x a b G⇒≤-∈1M G∴-为()f x 在[],a b 上的一个上界，而这显然与上述推得的M 为()f x 在[],a b 上的上确界（最小上界）矛盾 ∴假设不成立故必存在[],a b ξ∈，使得()f M ξ=，即()f x 在[],a b 上必有最大值 同理可证：()f x 在[],a b 上必有最小值2.讨论函数222222()sin 0(,)0,0x y x y z f x y x y ⎧++≠⎪==⎨⎪+=⎩在坐标原点处： （1）是否连续？（2）是否存在偏导数？（3）是否可微？ （18分） 解：（1）因为22(,)(0,0)lim ()0,sin1x y x y →+=≤所以22(,)(0,0)(,)(0,0)lim (,)lim (0(0,0)x y x y f x y x y f →→=+==∴函数(,)f x y 在点(0,0)处连续（2）由偏导数的定义知，000(0,0)(0,0)1(0,0)lim limlim sin0x x x x f x f f x xx∆→∆→∆→+∆-===∆=∆∆，00(0,0)(0,0)1(0,0)limlim lim sin0y y y y f y f f y yy∆→∆→∆→+∆-===∆=∆∆ ∴函数(,)f x y 在点(0,0)处关于x 和y 的偏导数都存在且都为零（3）因为2222(0,0)(0,0)(0,0)(0(f f x y f x y x y ∆=+∆+∆-=∆+∆=∆+∆(0,0)(0,0)0x y f x f y ∆+∆=所以(0,0)((0,0)(0,0))0(0)x y f f x f y ρρ∆-∆+∆==≤=→(0,0)(0,0)(0,0)x y f f x f y∴∆=∆+∆∴函数(,)f x y 在点(0,0)处可微3.设级数1n n a ∞=∑收敛，0n a >，且数列{}n a 单调递减.试证：lim 0n n na →+∞=.（15分）证：因为正项级数1n n a ∞=∑收敛所以由级数收敛的柯西准则可知，对任给的0ε>，总存在正整数N ，使得当n N >时，有120N N a a ++<++ (2)n a ε+<又因为数列{}n a 单调递减所以当n N >时，12N N a a ++≥≥…n a ≥于是当n N >时，有120()n N N n N a a a ++<-≤++ (2)n a ε+<取2n N >，则有0()2n n n a n N a <<-12N N a a ++≤++ (2)n a ε+< 即0n na ε<<（当2n N >时） 故lim 0n n na →+∞=4.确定函数22(,)4f x y x xy y =++在圆形区域221x y +≤上的最大值和最小值.（12分）解：（ⅰ）先求函数(,)f x y 在区域22:1D x y +≤内部221x y +<的可疑极值点； 因为2(,)40x f x y y =+>所以函数(,)f x y 在区域22:1D x y +≤内部221x y +<没有极值点因为函数(,)f x y 的最大值、最小值只能在区域D 的边界221x y +=上取得 （ⅱ）再求函数(,)f x y 在区域22:1D x y +≤边界221x y +=上的可疑极值点； 为此作拉格朗日函数2222(,,)4(1)L x y x xy y x y λλ=++++- 对L 求一阶偏导数，并令它们都为零则有222420222010x y L y x L xy y y L x y λλλ⎧=++=⎪=++=⎨⎪=+-=⎩解得：102x y λ=⎧⎪=⎨⎪=-⎩或102x y λ=-⎧⎪=⎨⎪=⎩所以函数(,)f x y 在区域22:1D x y +≤边界221x y +=上的最大值为(1,0)4f =， 最小值为(1,0)4f -=-.故函数22(,)4f x y x xy y =++在圆形区域221x y +≤上的最大值为4，最小值为-4. 5.设()0f x >且在[]0,1上连续.研究函数122()()yf x g y dx x y=+⎰的连续性.（15分） 证：对任意的00y >，取0δ>，使00y δ->则被积函数22()yf x x y+在矩形区域[][]000,1,D y y δδ=⨯-+内连续 于是由含参量正常积分的连续性定理知，函数122()()yf x g y dx x y =+⎰在[]00,y y δδ-+上连续再由0y 的任意性可知，函数()g y 在()0,+∞上连续又因为11222200()()()()yf x yf x g y dx dx g y x y x y --==-=-++⎰⎰ 所以()g y 为奇函数 ∴函数()g y 在(),0-∞上也连续 于是函数()g y 在()(),00,-∞⋃+∞上连续 在0y =处，()(0)0g y g ==又函数()f x 为[]0,1上的正值连续函数所以函数()f x 在[]0,1上存在最小值m ，且0m > 于是当0y >时，111222222000()()yf x my yg y dx dx m dx x y x y x y =≥=+++⎰⎰⎰ 102111()arctan arctan 01()x x m d m m x yy y y===+⎰1lim ()lim arctan02y y g y m m y π++→→∴==⋅>，而(0)0g = ∴函数()g y 在0y =处不连续故函数122()()yf x g y dx x y =+⎰在()(),00,-∞⋃+∞上连续，而在0y =处不连续. 6.设函数()f x 在[]0,1上可微，且当()0,1x ∈时，0()1,(0)0f x f '<<=.试证：()2113()()f x dx f x dx >⎰⎰. （15分）证：令()230()()()xxF x f t dtf t dt =-⎰⎰则320()2()()()()[2()()],(0)0xxF x f t dt f x f x f x f t dt f x F '=⋅-=-=⎰⎰且再令20(2()()x G x f t dt f x =-⎰）则2(2()2()()2()[1()],(0)0(0)0G x f x f x f x f x f x G f '''=-=-=-=）且 因为当()0,1x ∈时，0()1f x '<< 所以函数()f x 在()0,1内严格单调递增()(0)0,1()0f x f f x '∴>=->而 (0G x '∴>）(G x ∴函数）在()0,1内也严格单调递增()(0)0G x G ∴>= ()0F x '∴> ()F x ∴函数在()0,1内严格单调递增又函数()F x 在[]0,1上连续 故(1)(0)0F F >= 即()21130()()f x dxf x dx >⎰⎰7.计算曲面积分323232()()()I x az dydz y ax dzdx z ay dxdy ∑=+++++⎰⎰，其中∑为上半球面z =. （15分） 解：补充圆面2221:,0x y a z ∑+≤=，并取下侧为正向 则它与曲面∑构成封闭曲面这里，32(,,)P x y z x az =+，32(,,)Q x y z y ax =+,32(,,)R x y z z ay =+ 则2223,3,3P Q R x y z x y z∂∂∂===∂∂∂ 于是由高斯公式，有1323232()()()()VP Q Rx az dydz y ax dzdx z ay dxdy dxdydz x y z∑+∑∂∂∂+++++=++∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ 222222(333)3()VVx y z dxdydz x y z dxdydz =++=++⎰⎰⎰⎰⎰⎰令sin cos :sin sin cos x r T y r z r ϕθϕθϕ=⎧⎪=⎨⎪=⎩，则在球坐标变换T 的作用下，xyz空间中的有界闭区域{(,,)0V x y z z =≤≤与r ϕθ空间中的闭区域(,,)0,0,022V r r a πϕθϕθπ⎧⎫'=≤≤≤≤≤≤⎨⎬⎩⎭对应，变换T 的函数行列式为2(,,)sin J r r ϕθϕ=于是2222243()3sin 3sin VV V x y z dxdydz r r drd d r drd d ϕϕθϕϕθ''++=⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰245552001663sin 32(cos )(0)(01)20555aa d r dr d r a a πππθϕϕπϕππ=⋅⋅=⋅⋅⋅-=---=⎰⎰⎰又11132323222()()()x az dydz y ax dzdx z ay dxdy ay dxdy a y dxdy ∑∑∑+++++==⎰⎰⎰⎰⎰⎰2232230445(sin )sin sin 1sin 221112002444xyxyaD D a r rdrd a r drd a d r draa r a a a πθθθθθθθθπππ=⋅==⋅-=⋅⋅=⋅⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰故3232325556119()()()5420I x az dydz y ax dzdx z ay dxdy a a a πππ∑=+++++=-=⎰⎰8.设函数()f x 在[),a +∞上一致连续，函数()x ϕ在[),a +∞上连续，lim[()()]0x f x x ϕ→+∞-=.证明：()x ϕ在[),a +∞上一致连续. （15分）证：因为lim[()()]0x f x x ϕ→+∞-=所以由函数收敛的柯西准则可知，对任给的0ε>，总存在0M >，使得对任意的()12,,x x M ∈+∞，都有2211(()())(()())2f x x f x x εϕϕ---<即1212(()())(()())2x x f x f x εϕϕ---<于是有1212()()()()2x x f x f x εϕϕ-<-+又因为函数()f x 在[),a +∞上一致连续 所以函数()f x 在(),M +∞上一致连续∴对任给的0ε>，总存在10δ>，使得对任意的()12,,x x M ∈+∞，只要121x x δ-<，就有12()()2f x f x ε-<于是当121x x δ-<时，有12()()22x x εεϕϕε-<+=∴函数()x ϕ在(),M +∞上一致连续又函数()x ϕ在[),a +∞上连续∴函数()x ϕ在闭区间[],1a M +上连续 ∴函数()x ϕ在闭区间[],1a M +上一致连续∴对上述的0ε>，总存在20δ>，使得对任意的[],,1x x a M '''∈+，只要2x x δ'''-<，就有()()x x ϕϕε'''-<于是对任给的0ε>，总存在正数{}12min ,,1δδδ=，使得对任意的[),,x x a '''∈+∞，只要x x δ'''-<，就有()()x x ϕϕε'''-< 故()x ϕ在[),a +∞上一致连续9.证明：若函数()f x 在()0,+∞内可微，且lim ()0x f x →+∞'=，则()lim0x f x x→+∞=. （15分）证：因为lim ()0x f x →+∞'=所以对任给的0ε>，总存在10M >，使得当1x M >时，有()02f x ε'-<即()2f x ε'<又因为函数()f x 在()0,+∞内可微 所以函数()f x 在[]1,M x 上可微于是由拉格朗日中值定理知，至少存在一点()1,M x ξ∈，使得11()()()()f x f M f x M ξ'-=-于是1111()[()()]()()()()f M f x f M f M f x M f x x x xξ'+-+-==11111()()()()()()2f M f M f M f x M x M f x x x x x ξεξ'--'=+=+<+又1()lim0x f M x→+∞= ∴对上述的0ε>，总存在20M >，使得当2x M >时，有1()2f M x ε< 取{}12max ,M M M = 则当x M >时，有()22f x x εεε<+= 故()lim0x f x x→+∞=10.证明：函数cos sin xuxu e yv e yv ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩00000(,,,)(1,1,0,)4P x y u v π==的某领域内确定了唯一的隐函数(,),(,)u u x y v v x y ==，并求2d u 在点0P 处的值. （15分）证：令(,,,)cos (,,,)sin xu xu F x y u v e yv G x y u v e yv ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ 由于（ⅰ）函数(,,,)F x y u v ，(,,,)G x y u v 在以点0P 为内点的某一区域4V R ⊂内连续；（ⅱ）10(1,1,0,)cos(1)04422F e ππ⨯=⨯=-=，10(1,1,0,)sin(1)044G e ππ⨯=⨯==；（ⅲ）函数(,,,)F x y u v 与(,,,)G x y u v 的所有一阶偏导数都在区域V 内连续；（ⅳ）0(1,1,0,)4(,)1110(,)22u v p u vF F FG G G u v π∂===+=≠∂. 因此由隐函数组定理知，在点0(1,1,0,)4P π的某领域0()U P 内，方程组(,,,)cos (,,,)sin xu xu F x y u v e yv G x y u v e yv ⎧=-⎪⎪⎨⎪=⎪⎩0(1,1)Q 的某领域0()U Q 内以,x y 为自变量的两个二元隐函数(,),(,)u u x y v v x y == 由（＊）式，有2222xux y e+=两边取对数，得：222ln 2x y xu += 2222ln ln()ln 2222x y x y u x x++-⇒==于是有，2222222222211222[ln()ln 2][ln()ln 2]24x x x x y x y u x y x y x x x ⋅⋅-+--+-∂++==∂，2222122()y u y x y y x x x y ⋅∂+==∂+. 西北大学2009年招收攻读硕士学位研究生试题科目名称：数学分析 科目代号：619 适用专业：数学系各专业一． 单项选择题:（本题共30分，每小题6分） 1. 若a 是数列{}+1n n x ∞=的最大聚点，则（B ） A. {}n n x x ∀∈，有n x a ≤B. 0N n N ε∀>∃∀>，，，有n x a ε<+C. N n N ∃∀>，，有n x a <D. N n N ∃∀>，，有n x a ≤ 2. 下列结论正确的是（D ）A. 若(),()x t y t ϕψ==，则y 必是x 的函数B. 若函数()f x 在(),a b 内连续，则()f x 在(),a b 内有界C. 若函数()f x 在[],a b εε+-上连续，则()f x 在(),a b 内一致连续D. 若{}n x 是有界数列，则{}lim sup n n n x x →∞≤3. 设函数()f x 在[],a b 上可积，则函数()f x 在[],a b 上（C ） A. 可积 B.不可积 C. 不一定可积D.只要()f x 连续，()f x 就可积 4. 级数11(1)nn n x n∞-=-∑在（D ） A. []0,1上一致收敛 B. []1,1-上一致收敛 C. [)1,+∞上一致收敛 D. ()1,1-内内闭一致收敛5. 若函数(,)f x y 在点00(,)x y 处沿任意方向的方向导数都存在，则（C ） A. (,)f x y 在点00(,)x y 处连续 B. (,)f x y 在点00(,)x y 处可微 C. 0000(,),(,)x y f x y f x y 都存在 D. (,),(,)x y f x y f x y 在点00(,)x y 处连续 二． 解答题：（本题共60分，每小题10分）1. 设01110,0,()2n n n aa x x x x -->>=+（1,2,3,n =…），求lim n n x →∞.2. 设0lim ()0x f x →=，且()()()(0)2x f x f o x x -=→，求0()lim x f x x→. 3. 讨论积分1110(1)p q x x dx ---⎰的敛散性. 4. 设动点(),x y 在圆周221x y +=上，求函数z xy =的最大值和最小值. 5. 计算二重积分22(ln ln )D dxdy I xy x y =+⎰⎰，其中D 是221x y +=与1x y +=所围平面区域位于第一象限的部分.6. 计算曲面积分222SI x dydz y dzdx z dxdy =++⎰⎰，其中S 是曲面2222()()()x a y b z c R -+-+-=的外侧.三． 证明题：（本题共60分，每小题15分）1. 对任意自然数n 及实数1α>，设11123n x αα=+++…1nα+，则数列{}n x 收敛. 2. 设函数(),()f x g x 在[],a b 上连续，且存在[],n x a b ∈使得1()()n n f x g x += (1,2,3,n =…).证明：必存在[]0,x a b ∈使得00()()f x g x =.3. 若对任意自然数m ，当x m ≥时，()f x 是一非负单增函数，则对任意m ξ≥，都有[]()()()m k m f k f x dx f ξξξ=-≤∑⎰.4. 设函数1()f x 在[],a b 上()Riemann 黎曼可积，且1()(),1,2,3,x n n af x f t dt n +==⎰…， 则函数列{}()n f x 在[],a b 上一致收敛于零.。