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2021-2022 高等数学A(3) 期末试卷 · 逐题精讲

中国矿业大学 · 数学学院 · 考试时间 100 分钟

📝 共 17 题📊 满分 100 分🏷 多元微积分 + 重积分🎯 期末考试
📊 掌握进度
0/17
🎲 考试模式 · 0
一、填空题(本题20分,共5小题,每题4分)
1

全微分计算 Total Differential

✅ 标准答案:dz = (e + ln2)dx + e·dy
题目:设函数z = ex+y + x ln(1+y),则dz|(x=0,y=1) =
全微分偏导数复合函数

🔍 第一步:扫一眼题目考啥

你看,这道题问的是在(0,1)这个点的全微分。全微分的公式咱们都熟吧?就是 dz = (∂z/∂x)dx + (∂z/∂y)dy。所以要做的事很明确——先把两个偏导求出来,再把(0,1)代进去。没有弯弯绕绕,就是直来直去的计算题。

🔍 第二步:把条件翻译成数学

咱们来看看这个z长什么样:z = ex+y + x ln(1+y)。对x求偏导的时候,ln(1+y)就是个常数——它里面没有x对吧?所以x ln(1+y)对x求导就是ln(1+y),然后ex+y对x求导还是ex+y。同理,对y求偏导的时候,x就变成了常数,ex+y对y求导仍是ex+y,而x ln(1+y)对y求导要用一下复合求导:x/(1+y)

🔍 第三步:找到最省事的突破口

最妙的地方来了——咱们把(0,1)代进去一看,瞬间清爽!e0+1=e,ln(1+1)=ln2,而x=0让x/(1+y)=0。你看,连ln2都保留了原样没被消掉,而x那一项直接没了。于是两个偏导的值就是e+ln2和e,干净利落。

🔍 第四步:提前踩准容易踩的坑

这道题虽然简单,但有两个坑每年都有人跳:第一个坑——忘了写dx、dy,只写了偏导的值就交卷。全微分全微分,缺了微分符号还叫全微分吗?第二个坑——偏导求对了但忘了代点,把含x,y的表达式直接交上去了。题目明明白白要的是在(0,1)处的值,不是通式。

题目:设函数z = ex+y + x ln(1+y),则dz|(x=0,y=1) =
全微分偏导数复合函数
1
求偏导:∂z/∂x = ex+y + ln(1+y),∂z/∂y = ex+y + x/(1+y)
2
代入点 (0,1):∂z/∂x|(0,1) = e1 + ln2 = e + ln2,∂z/∂y|(0,1) = e1 + 0 = e
3
写出全微分:dz = (e+ln2)dx + e·dy

🎯 出题意图

考察全微分公式 dz = (∂z/∂x)dx + (∂z/∂y)dydz = 全微分
∂z/∂x = 对 x 的偏导数
dx = x 的微小增量
的掌握。核心是先求两个偏导再代入点——没有捷径。

💡 技巧:ln(1+y) 对 x 是常数!ex+y = ex·ey 对 x 求导时 ey 是常数。
⚠ 易错:别漏了 x ln(1+y) 这一项!对 x 求导时 ln(1+y) 是常数,结果为 ln(1+y);对 y 求导时 x 是常数,结果为 x/(1+y)。
⚠ 常见错误:全微分写完后要带 dx、dy,不要只写偏导的值。

🧪 自测:全微分 dz 的公式是?

我已理解这道题
2

平面夹角 Angle Between Planes

✅ 标准答案:k = ±√(35/2)
题目:若两平面x + ky - 2z - 9 = 0与2x - 3y + z = 0的夹角为π/4,则k =。
空间解析几何平面方程法向量

🔍 第一步:扫一眼题目考啥

题目问的是两个平面的夹角。咱们都知道,平面之间的夹角怎么算?说白了就等价于它俩法向量之间的夹角(取锐角那个)。所以第一步很简单——把这两个平面的法向量揪出来就行!

🔍 第二步:把条件翻译成数学

平面一般式 Ax+By+Cz+D=0,法向量就是(A,B,C)三兄弟,千万别把常数D也拉进来——它管的是位置,不关方向的事。所以第一个平面:n₁=(1, k, −2);第二个:n₂=(2, −3, 1)。夹角π/4就是cosθ=√2/2。公式还记得吗?cosθ = |n₁·n₂|/(|n₁||n₂|),加绝对值是因为咱取锐角。

🔍 第三步:找到最省事的突破口

n₁·n₂算出来是−3k——你看多巧,x和z的贡献刚好抵消(2−2=0),只留下k那一项。模长也不难:|n₁|=√(k²+5),|n₂|=√14。把一切都塞进夹角公式,两边一平方,根号全消掉,得到7(k²+5)=9k²,整理就是2k²=35,k = ±√(35/2)。注意正负两个都合法,因为平方把符号信息丢掉了!

🔍 第四步:提前踩准容易踩的坑

最容易掉进去的坑有三个:①法向量只取(A,B,C),不要把常数D也算进去——D是管平移的,不参与方向;②别只写正的k解,别忘了绝对值一平方就分不出正负了,所以±都要写;③(−2)²=4,小细节别马虎。

题目:若两平面x + ky - 2z - 9 = 0与2x - 3y + z = 0的夹角为π/4,则k =。
空间解析几何平面方程法向量
1
提取法向量:n1=(1, k, −2),n2=(2, −3, 1)
2
夹角公式:cos θ = |n1·n2|/(|n1|·|n2|),θ=π/4,cos θ=2/2
3
计算点积:n1·n2 = 1·2 + k·(−3) + (−2)·1 = 2−3k−2 = −3k
4
计算模长:|n1| = 1+k²+4 = k²+5,|n2| = 4+9+1 = 14
5
代入解方程:2/2 = |−3k|/k²+5·14 → 两边平方 → 7(k²+5)=9k² → 7k²+35=9k² → 2k²=35 → k = ±35/2

🎯 出题意图

两平面夹角 = 两法向量的夹角(取锐角)。关键:从一般式方程直接读法向量 (A, B, C)。

⚠ 陷阱:k 有两个解(正负),都要写出!因为夹角公式有绝对值。
⚠ 注意:法向量是 (A,B,C) 不是 (A,B,C,D),常数项 D 不属于法向量。

🧪 平面 Ax+By+Cz+D=0 的法向量是?

我已理解这道题
3

隐函数偏导数 Implicit Partial Derivative

✅ 标准答案:fx'(1,1) = 3
题目:设函数z = f(x,y)在点(1,1)的某个邻域内有连续偏导数,且满足f(x,x³) = c(c为常数),若fy'(1,1) = −1,则fx'(1,1) =。
隐函数链式法则偏导数

🔍 第一步:扫一眼题目考啥

这道题看着短,但其实藏着链式法则的精髓。你看,题目说f(x, x³)恒等于常数c——这就意味着不管x取什么值,沿着曲线y=x³走,函数值都不变。换句话说,这家伙沿这条曲线的"变化率为零"!怎么把这句话翻译成数学?对x求全导数!

🔍 第二步:把条件翻译成数学

f(x,x³)对x求全导数,注意x出现了两次——第一个参数是x本身,第二个参数x³里也藏着x。所以要用链式法则:d/dx f(x, x³) = ∂f/∂x + ∂f/∂y · (x³)' = ∂f/∂x + ∂f/∂y · 3x²。等于0是因为恒等于常数c。这里最容易出错的是——x³的导数,是3x²不是3!

🔍 第三步:找到最省事的突破口

题目直接送了一个条件:fy'(1,1) = −1。把x=1, y=1代入链式等式:fx'(1,1) + (−1)·3·1² = 0。你看,直接就变成了一元一次方程,移项就完事了:fx'(1,1) = 3。

🔍 第四步:提前踩准容易踩的坑

这道题的坑全集中在那个3x²上。有些同学一看到"代入(1,1)",就本能地把3x²当成了3,结果恰好碰对也就算了。但如果题目的点不是(1,1)呢?必须养成写3x²的习惯,最后再代值。另外一个常见的思路错误:有人觉得f(x,x³)=常数,就只对x求导忘了y也在变——这就是没理解什么叫全导数。

题目:设函数z = f(x,y)在点(1,1)的某个邻域内有连续偏导数,且满足f(x,x³) = c(c为常数),若fy'(1,1) = −1,则fx'(1,1) =。
隐函数链式法则偏导数
1
关键识别:f(x, x³)=c 两边对 x 求导(用链式法则)。
2
链式求导:∂f/∂x + ∂f/∂y · 3x² = 0(y=x³,dy/dx=3x²)
3
代入 (1,1):fx'(1,1) + fy'(1,1)·3·1² = 0
4
计算:fx'(1,1) + (−1)·3 = 0 → fx'(1,1) = 3

🎯 出题意图

复合函数链式法则的灵活运用:f(x, g(x)) = c → 对 x 求导,利用已知的偏导推未知的偏导。

⚠ 陷阱:y=x³ 对 x 求导是 3x²,不是 3!代入 (1,1) 时 x=1 所以 3·1²=3。

🧪 自测:f(x, x³)=c 两边对x求导,用到了什么法则?

我已理解这道题
4

平面方程 Plane Equation

✅ 标准答案:平面方程 x − 3y − z + 4 = 0
题目:过点 (1,2,−1),与直线 x=−t+1, y=3t−3, z=t−1 垂直的平面方程。
平面方程空间直线法向量

🎯 一看就知道:直线⊥平面有啥用?

你看,题目给了咱们一条直线和一个点,要找过这个点且跟直线垂直的平面。咱们回忆一下:直线跟平面垂直,说明直线的方向刚好是平面的法方向对吧?所以直线的方向向量直接拿来当平面法向量——这个几何关系一来,整个题就活了!

📐 把直线参数式"肢解"一下

来,咱们从参数式 x=−t+1, y=3t−3, z=t−1 中把方向向量揪出来。很简单,只看 t 前面的系数:x 的系数 −1,y 的系数 3,z 的系数 1。于是方向向量 v=(−1, 3, 1)。注意啦,常数项(+1, −3, −1)别管——它们管的是直线过哪个点,跟方向半毛钱关系没有。

🚀 一步到位:点法式直接上

有了点 (1,2,−1) 和法向量 (−1,3,1),还用犹豫吗?点法式 A(x−x₀)+B(y−y₀)+C(z−z₀)=0 直接套上去——展开化简就完事,这是写平面方程最爽的方式,没有之一。

⚠ 三个坑,咱提前踩一遍

坑一:z₀=−1,所以 z−(−1)=z+1,别写成 z−1,双重负号最容易翻车。坑二:参数式里只看 t 的系数,别把常数项掺和进法向量。坑三:化简后 −x+3y+z−4=0 和 x−3y−z+4=0 完全等价,两边乘个 −1 就互换了,你喜欢哪个留哪个。

题目:过点 (1,2,−1),与直线 x=−t+1, y=3t−3, z=t−1 垂直的平面方程。
平面方程空间直线法向量
1
直线方向向量:从参数式得 v = (−1, 3, 1)。平面与直线垂直 → 直线方向 = 平面法向量。
2
平面方程:过 (x₀,y₀,z₀),法向量 n=(A,B,C),方程为 A(x−x₀)+B(y−y₀)+C(z−z₀)=0。
3
代入:−1(x−1) + 3(y−2) + 1(z+1) = 0 → −x+1+3y−6+z+1=0
4
化简:−x + 3y + z − 4 = 0 或 x − 3y − z + 4 = 0

🎯 出题意图

直线与平面的垂直关系 → 直线的方向向量就是平面的法向量。一步到位。

⚠ 注意:参数式中 t 的系数就是方向向量的分量。x=−t+1 → 方向为 −1(注意看负号)。

🧪 直线与平面垂直 ⇔ 直线的方向向量__平面的法向量?

我已理解这道题
5

极坐标变换 Polar Coordinates

✅ 标准答案:0π/2 dθ ∫01 cosθ sinθ · r dr + ∫π/2π dθ ∫01/(sinθ−cosθ) cosθ sinθ · r dr
题目:D 由 y=x+1,y=1−x²,x 轴围成,写出 ∬D xy/(x²+y²) dxdy 的极坐标形式。
二重积分极坐标变换区域描述

🎯 别急着算——看清楚它到底问啥

题目让咱们"写出极坐标形式",不是算出结果!所以核心工作就三件事:描清楚区域 D 到底长啥样、把被积函数换成极坐标、定好 θ 和 r 的范围写成二次积分。不用真的积分!

📐 三根线围出来的区域,画个图秒懂

来,咱们一条条认:y=√(1−x²) 就是上半圆 x²+y²=1(y≥0);y=x+1 是过 (−1,0) 和 (0,1) 的斜线;y=0 就是 x 轴。三条线围出来的是一个曲边三角形区域——第一象限里是 1/4 圆,第二象限里是直线下方的三角形。画出来你就发现,在第二象限那边,直线比圆更靠近原点,所以它才是真正的上边界!

🚀 极坐标一换,被积函数居然瘦身了

把 x=r cosθ, y=r sinθ 代进去:xy/(x²+y²) = r² cosθ sinθ / r² = cosθ sinθ——你看,r 直接消掉了,多漂亮!但别忘了最关键的那个因子:dxdy = r dr dθ,这个 r(雅可比行列式)每年都有人忘掉。

⚠ 定 θ 和 r 的范围,分两段来

θ 分两段走:① θ∈[0, π/2] 时,区域的上边界是圆 r=1;② θ∈[π/2, π] 时,上边界是直线 r=1/(sinθ−cosθ),因为直线比圆矮嘛。注意:sinθ−cosθ>0 才有效,这正好对应 θ∈(π/4, 5π/4) 内的正值区间,咱的区域才不管那么多,就是分两段老老实实写!

题目:D 由 y=x+1,y=1−x²,x 轴围成,写出 ∬D xy/(x²+y²) dxdy 的极坐标形式。
二重积分极坐标变换区域描述
1
画出区域:y=1−x² 是上半圆 x²+y²=1 (y≥0)。y=x+1 是斜线。x轴是 y=0。三条线围成的 D 是一个曲边三角形。
2
极坐标代换:x=r cosθ, y=r sinθ, dxdy=r dr dθ。被积函数 xy/(x²+y²) = r²cosθ sinθ/r² = cosθ sinθ。
3
θ分两段:① θ∈[0,π/2]:D是x轴与上半圆的1/4圆,直线在圆外;② θ∈[π/2,π]:D是x轴与直线之间的三角形,直线 y=x+1 → r=1/(sinθ−cosθ)。
4
确定 r 范围:① θ∈[0,π/2]:r∈[0,1](原点到圆);② θ∈[π/2,π]:r∈[0, 1/(sinθ−cosθ)](原点到直线下方)。
5
二次积分: D = π/2010 cosθ sinθ·r dr  +  ππ/21/(sinθ−cosθ)0 cosθ sinθ·r dr

🎯 出题意图

极坐标变换的三要素:被积函数替换(含雅可比 r)、积分限确定(画出区域最关键)、化简。

⚠ 最易错:极坐标下 dxdy = r dr dθ,千万别忘了乘 r!
⚠ 区域边界:从斜线到半圆的那段 r 范围最容易出错——建议画图验证。
🖱 拖拽探索区域 D(阴影部分)

🧪 自测:极坐标下 dxdy 替换为什么?

我已理解这道题
二、选择题(本题20分,共5小题,每题4分)
6

向量夹角 Vector Angle

✅ 标准答案:C(夹角为 π/3)
题目:a,b0,(a+3b)⊥(7a−5b),(a−4b)⊥(7a−2b),求夹角。
向量代数内积夹角

🎯 两个垂直条件,翻译成啥?

你看题目给了两个"垂直"关系——在向量世界里,垂直就是内积为零,这是铁律。两个垂直条件啪地一下变成两个代数方程,这不就变成了纯解方程组吗?目标很明确:把 a 和 b 的夹角 φ 揪出来。

📐 展开的时候小心符号

令 |a|=a, |b|=b, a·b=ab cosφ。来,第一个方程:(a+3b)·(7a−5b)=0 → 一项项展开:7a·a − 5a·b + 21a·b − 15b·b = 7a² + 16ab cosφ − 15b² = 0。第二个同理:(a−4b)·(7a−2b)=0 → 7a² − 30ab cosφ + 8b² = 0。核心技巧:把 ab cosφ 当做一个整体来处理!

🚀 消元法直接上,cosφ 就出来了

两个方程,三个"未知量" a²、b²、ab cosφ,但这本质上是一个齐次方程。把 a² 消掉(或者先求 a²/b² 的比值),代回任何一个方程,最后得到 cos²φ = 1/4。注意,a 和 b 的长度都是正的,从方程一可以推出 cosφ 也是正的(否则没法让左边为零),所以cosφ = 1/2 → φ = π/3,完美坐实 C 选项。

⚠ 三个容易栽的地方

第一,a·b = ab cosφ,不是 ab,中间有 cosφ 千万别漏!第二,展开的时候有 8 项的符号,每项都要对,建议在草稿纸上列出来慢慢推。第三,二次方程解出 cosφ=±1/2,咱还得从物理意义判断正负——既然俩向量成锐角(模长都是正数、内积推出来正向的),cosφ 取正才对。

题目:a,b0,(a+3b)⊥(7a−5b),(a−4b)⊥(7a−2b),求夹角。
向量代数内积夹角
1
垂直条件 → 内积为零:(a+3b)·(7a−5b)=0,设 |a|=a, |b|=b, 夹角为 φ。
2
展开第一式:7|a|² − 5a·b + 21a·b − 15|b|² = 7a² + 16a·b − 15b² = 0
3
展开第二式:7|a|² − 2a·b − 28a·b + 8|b|² = 7a² − 30a·b + 8b² = 0
4
联立求解:由①②消去 a² 得 46m cosφ = 23n → m/n = 1/(2cosφ)。代回②得 cos²φ = 1/4。
5
取舍:m/n > 0 ⇒ cos φ = 1/2 ⇒ φ = π/3 ✓ (C)(cos φ 取正,因向量长度比为正值)

🎯 出题意图

向量垂直 = 内积为零 + 内积展开的代数运算。本质是一个方程组问题。

⚠ 注意:a·b = |a||b|cos φ,不要忘记中间的 cos!很多同学把 a·b 当成了 ab。

🧪 自测:两向量夹角公式中,a·b 等于?

我已理解这道题
7

可微性判定 Differentiability

✅ 标准答案:B(偏导数存在,但不可微)
题目:f(x,y)=|xy| 在 (0,0) 处的性质(可微/偏导存在/连续)
可微性偏导数连续性经典反例

🎯 经典反例来了!√|xy| 为啥这么有名?

这道题考的是多元微积分里最经典的反例之一。在 (0,0) 这个点,f(x,y)=√|xy| 到底有啥性质?咱们得一层层剥开来看:先判断连续不连续,再验偏导存在不存在,最后判可不可微。记住——多元函数这三个层次是递进的,跟一元完全不一样!

📐 连续?偏导?逐个验

第一步连续:当 (x,y)→(0,0) 时,√|xy| → 0 = f(0,0),所以连续没问题。第二步偏导:用偏导定义法——f_x'(0,0) = lim[h→0] (√|h·0| − 0)/h = 0;同理 f_y'(0,0) = 0。你看,两个偏导都老老实实存在且都等于 0。但这还没完呢!

🚀 关键一步:对角线路径揭穿不可微

可微性的判定才是真正的试金石。取对角线路径 Δx = Δy = t(这是验证不可微的杀手锏):Δz − [0·t + 0·t] = √|t²| = |t|,而 √(t²+t²) = |t|√2。比值 = |t|/(|t|√2) = 1/√2 ≠ 0。这个比值并不随着 (t,t)→(0,0) 而趋于 0,所以必不可微

⚠ 最大教训:多元 ≠ 一元!

偏导存在 ≠ 可微——这就是多元微积分离一元最远的地方。一元函数 f'(x) 存在直接推出可微,但在多元里,两个偏导都存在为 0,函数依然可能不可微。√|xy| 就是专门用来区分"偏导存在"和"可微"的标准范例,考试最爱拿出来考。

题目:f(x,y)=|xy| 在 (0,0) 处的性质(可微/偏导存在/连续)
可微性偏导数连续性经典反例
1
连续性:lim(x,y)→(0,0) |xy| = 0 = f(0,0) → 连续 ✓
2
偏导数:fx'(0,0)=limh→0 [|h·0|−0]/h=0,同理 fy'(0,0)=0 → 偏导存在 ✓
3
可微性判定:Δz − [fx(0,0)Δx+fy(0,0)Δy] = |Δx·Δy|。需验证 |ΔxΔy|/Δx²+Δy²→0?取 Δx=Δy=t → /2t²=1/2≠0 → 不可微 ✗
4
结论:连续,偏导存在,但不可微 → 选 B

🎯 出题意图

经典判断题!一元函数可导⇒可微,但多元函数偏导存在 ≠ 可微。f(x,y)=|xy| 是标准反例。

⚠ 关键区别:一元的"可导⇔可微"在多元不成立!偏导存在只是可微的必要条件。
⚠ 判定技巧:取对角线路径 Δx=Δy 是最常用的验证不可微的方法。

🧪 多元函数中,偏导数存在__可微的充要条件?

我已理解这道题
8

极值判定 Extrema & PDE

✅ 标准答案:B(极值都在边界上)
题目:u(x,y) 在闭区域 D 有二阶连续偏导,uxy>0 且 uxx+uyy=0,判断极值点位置。
极值偏微分方程调和函数

🎯 这道题不靠死算,靠理论!

你看题目的两个条件:uxx+uyy=0——这是拉普拉斯方程,u 是调和函数;uxy>0——交叉偏导严格正。这两个条件放在一起,其实就是告诉你:别算了,用定理来推理!

📐 判别式 ∆ 一算,内部彻底没戏

来,咱们算一下多元极值的判别式:∆ = uxx·uyy − (uxy)²。条件 uxx+uyy=0 意味着 uyy=−uxx。代进去:∆ = uxx·(−uxx) − (uxy)² = −(uxx)² − (uxy。看到没,两个平方前面都有负号,而且 uxy>0 说明第二项肯定不为零。所以∆ < 0 严格成立——内部任何地方判别式都是负的!

🚀 ∆<0 啥意思?全是鞍点!

∆<0 意味着内部所有可能出极值的地方全是鞍点——极大极小一个都没有。那极值跑哪去了?答案:只能在边界上!这就是调和函数的极值原理:调和函数在闭区域上的最大值和最小值一定在边界上取得。选 B 稳稳的。

⚠ 别拿一元的直觉往里套

最大教训来了:一元 f''>0 直接判极小,在多元里可不行!多元极值得看判别式 ∆,∆ 的正负才是关键。而且调和函数这个"极值必在边界"的结论是个定理,不是凭感觉猜的。记住这道题的逻辑链:拉普拉斯方程 → ∆<0 → 内部无极值 → 极值在边界。

题目:u(x,y) 在闭区域 D 有二阶连续偏导,uxy>0 且 uxx+uyy=0,判断极值点位置。
极值偏微分方程调和函数
1
分析条件:uxx+uyy=0(调和函数),uxy>0,二阶连续偏导。
2
极值判别式:Δ = uxx·uyy − uxy²。由 uyy=−uxx → Δ = −uxx² − uxy² < 0(严格负)。
3
Δ<0:在 D 内部所有点判别式 < 0 → 内部无驻点型极值(鞍点)。
4
调和函数极值原理:调和函数在闭区域的最大最小值必在边界上取得 → 选 B

🎯 出题意图

调和函数(拉普拉斯方程)+ 极值原理。关键洞察:uxx+uyy=0 → 内部判别式恒负 → 极值必在边界。

⚠ 注意:这个结论和一元函数完全不同!一元 f''>0 是极小,但多元要看判别式。

🧪 自测:调和函数在闭区域上的最大最小值在何处取得?

我已理解这道题
9

三重积分比较 Triple Integral Comparison

✅ 标准答案:A(I₂ > I₃ > I₁)——利用 z∈[−1,0] 上 z²>0, z
题目:Ω: x²+y²−1≤z≤0,比较 I₁=∭z exydv,I₂=∭z²exydv,I₃=∭z³exydv 的大小。
三重积分比较审敛不等式

🎯 不让你算积分,只让比大小!

这道题问的是积分的大小关系,不是具体数值。所以根本不需要真的去积——那些三重积分式看着吓人,其实咱们只关心被积函数在区域上的大小就行了。关键前提:exy > 0 恒成立(指数函数永远正的),所以它不影响正负号!

📐 区域一看,z 全是负的

来仔细看区域 Ω:√(x²+y²) − 1 ≤ z ≤ 0。也就是说z ∈ [−1, 0] 恒负。三个积分只差在被积函数里 z 的幂次不同——z¹、z²、z³。z² 是偶次方所以恒正,I₂ > 0。z 和 z³ 在负区间里都是负的,所以 I₁ < 0,I₃ < 0。I₂ 已经是最大候选。

🚀 I₁ 和 I₃ 谁更小?看绝对值

在 z ∈ [−1, 0] 上,|z| > |z³|(比如 z=−0.5: |−0.5|=0.5, |−0.125|=0.125)。但注意它们都是负的!所以 z 更"负"——z < z³。这意味着在积分中 I₁ 的每一个"小块"贡献都更负,所以I₁ < I₃ < 0 < I₂。排序结果就是 I₂ > I₃ > I₁,选 A。

⚠ 两个最容易搞反的地方

第一,别被 exy 吓到——它恒正、可以提出来不管,判断符号和比较大小时它完全透明。第二,负数的世界里大小关系和绝对值相反:|z|>|z³| 意味着 z

题目:Ω: x²+y²−1≤z≤0,比较 I₁=∭z exydv,I₂=∭z²exydv,I₃=∭z³exydv 的大小。
三重积分比较审敛不等式
1
分析区域:Ω 是锥面 z=x²+y²−1 到 z=0 之间。z∈[−1,0],exy>0 恒正。
2
比较被积函数:在 z∈[−1,0] 上,|z| > z² > |z³|,即 −z > z² > −z³。但需考虑符号。
3
奇偶性分析:z 和 z³ 关于 z=0 是奇函数?不,区域 Ω 关于 z 不对称(z≤0 恒负)。z<0 → I₁<0。z²>0 → I₂>0。z³<0 → I₃<0。
4
结论:I₂(正数)最大。在 [−1,0] 上 |z|>|z³| 且都是负 → I₁I₂ > I₃ > I₁ → 选 A

🎯 出题意图

不直接算积分!用被积函数的符号和区域特性比较大小。省时间的技巧题。

⚠ 关键:exy>0 恒成立(指数函数永正),所以积分符号完全由 z 的幂次决定。

🧪 自测:不计算就能比较 I₁=∭z exy, I₂=∭z²exy, I₃=∭z³exy 大小的关键依据是?

我已理解这道题
10

球坐标积分 Spherical Coordinates

✅ 标准答案:D(4πa⁵/15)
题目:Ω: x²+y²+z²≤a²,求 ∭Ω z² dxdydz。
三重积分球坐标对称性

🎯 球体区域 + z² = 对称性大杀器

区域是半径为 a 的球体,天然就该想球坐标。但等等——被积函数只有 z²?球体关于三个坐标面全对称啊!这意味着 ∭x² = ∭y² = ∭z²,三个积分完全一样。所以 ∭z² = (1/3)∭(x²+y²+z²),这个对称性技巧能省你大量计算。

📐 球坐标走一遍也挺顺畅

按标准流程来也行:z = ρ cosφ,z² = ρ² cos²φ。dv = ρ² sinφ dρ dφ dθ(千万别漏 sinφ!)。被积函数变成 ρ⁴ cos²φ sinφ,在 ρ∈[0,a], φ∈[0,π], θ∈[0,2π] 上三重积分,三个变量完美分离。

🚀 算就完了:三项相乘

对 θ 积分直接 2π。对 ρ:∫₀ᵃ ρ⁴ dρ = a⁵/5。对 φ 的积分用u=cosφ 换元最爽:∫₀ᵖ cos²φ sinφ dφ = ∫₁^(−1) (−u²) du = [−u³/3]_₁^(−1) = 2/3。三项一乘:2π × (a⁵/5) × (2/3) = 4πa⁵/15,选 D。

⚠ 对称性捷径 vs 球坐标,两道保险

两种方法可以互相对答案:对称性法 → ∭z² = (1/3)·4π∫₀ᵃ ρ⁴ dρ = 4πa⁵/15,和球坐标结果完全一样。但注意❗球坐标下 dv 别忘了 ρ² sinφ(不是 ρ²),φ 范围是 [0,π] 不是 [0,π/2]——球形区域 φ 要全覆盖。

题目:Ω: x²+y²+z²≤a²,求 ∭Ω z² dxdydz。
三重积分球坐标对称性
1
球坐标:x=ρ sinφ cosθ, y=ρ sinφ sinθ, z=ρ cosφ, dv=ρ² sinφ dρ dφ dθ。
2
被积函数:z² = ρ² cos²φ。积分 = ∭ ρ² cos²φ · ρ² sinφ dρ dφ dθ = ∭ ρ⁴ cos²φ sinφ dρ dφ dθ。
3
积分限:ρ∈[0,a], φ∈[0,π], θ∈[0,2π]。∫dθ=2π。
4
计算:∫₀ᵃρ⁴dρ=a⁵/5。∫₀ᵖ cos²φ sinφ dφ(令 u=cosφ)=[−cos³φ/3]₀ᵖ=2/3。总 = 2π·(a⁵/5)·(2/3)=4πa⁵/15 → 选 D

🎯 出题意图

球对称区域 + 球坐标 = 经典套路。利用对称性简化:∭x²=∭y²=∭z²=(1/3)∭(x²+y²+z²)。

⚠ 捷径:不用球坐标也可——由对称性 ∭z²dv = (1/3)∭(x²+y²+z²)dv = (1/3)·4π∫₀ᵃρ⁴dρ = 4πa⁵/15。快很多!

🧪 自测:球坐标下体积元 dv = ?

我已理解这道题
三、解答题(本题60分,共7小题)
11

隐函数求导 (9分) Implicit Differentiation

✅ 标准答案:∂z/∂x = z/(x+z);∂²z/∂x² = −z²/(x+z)³
题目:x/z = ln(z/y),求 ∂z/∂x 和 ∂²z/∂x²。
隐函数偏导数二阶导

🎯 隐函数求导——自带公式护体

题干给出 x/z = ln(z/y),这个方程里 z 没有直接写成 x,y 的显式函数。要找 ∂z/∂x 和 ∂²z/∂x²?隐函数求导公式 ∂z/∂x = −F_x/F_z 就是你的法宝。先把方程改写成 F(x,y,z)=0 的形式,然后求偏导就顺了。

📐 方程变形和三个偏导

把原方程改写为:x/z = ln z − ln y,即 F(x,y,z) = x/z − ln z + ln y = 0。现在求偏导:F_x = 1/z(x/z 对 x 求导就是 1/z);F_z = −x/z² − 1/z(注意 x/z 对 z 求导是 −x/z²,ln z 对 z 求导是 1/z)。F_z 这个负号组合最容易算错!

🚀 一阶完了还有二阶,链式上!

套公式:∂z/∂x = −F_x/F_z = −(1/z)/(−x/z²−1/z) = z/(x+z)。漂亮!二阶导呢?对 ∂z/∂x = z/(x+z) 再对 x 求导,用商的求导法则。关键来了——求二阶导时 z 不是常数,z 是 x 的函数,所以 d/dx 作用在 z 上会产生 ∂z/∂x,要回代把一阶结果塞进去。最终:∂²z/∂x² = −z²/(x+z)³

⚠ 三个最容易踩的坑

坑一:F_z 的负号——x/z 对 z 求导是 −x/z² 不是 x/z²,ln z 对 z 求导是 1/z,两项合并成 −x/z² − 1/z。坑二:二阶导时 z 不是常数,必须用链式法则!坑三:把原方程 x/z = ln(z/y) 拆成 ln z − ln y,拆开了求偏导清爽得多,别直接对着原形式硬搞。

题目:x/z = ln(z/y),求 ∂z/∂x 和 ∂²z/∂x²。
隐函数偏导数二阶导
1
改写方程:x/z − ln(z/y) = 0,设 F(x,y,z) = x/z − ln z + ln y = 0。
2
隐函数求导公式:∂z/∂x = −Fx/Fz。Fx=1/z,Fz=−x/z²−1/z。所以 ∂z/∂x = −(1/z)/(−x/z²−1/z) = z/(x+z)。
3
二阶导:∂²z/∂x² = ∂/∂x[z/(x+z)]。用商法则 = [(∂z/∂x)(x+z)−z(1+∂z/∂x)]/(x+z)²。
4
代入化简:∂z/∂x = z/(x+z) → ∂²z/∂x² = ..., 最终 ∂²z/∂x² = −z²/(x+z)³

🎯 出题意图

隐函数求导的完整流程:一阶用公式法,二阶用链式法则。公式 ∂z/∂x=−Fx/Fz 是核心。

⚠ 小心:求二阶导时 z 是 x,y 的函数,不要当成常数!

🧪 自测:隐函数求导公式 ∂z/∂x = ?

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12

切平面与截距 (9分) Tangent Plane & Intercepts

✅ 标准答案:截距平方和 = 64(与切点位置无关,恒为常数)
题目:曲面 x2/3+y2/3+z2/3=4,求任一点切平面的截距平方和。
切平面几何截距

🎯 "任一点"三个字藏了彩蛋

题目说"任意一点处的切平面",这三个字暗示结果跟点的位置没关系——出题人已经把彩蛋埋好了。咱们的解题路径:梯度 → 切平面方程 → 截距 → 平方和。走到最后你会发现,切点坐标全部优雅地消掉了。

📐 分数指数的导数,小心指数减一

曲面 F(x,y,z) = x2/3 + y2/3 + z2/3 − 4 = 0。求梯度:∂F/∂x = (2/3)x−1/3,同理 y 和 z。注意:2/3 是指数,求导后指数减一变成 −1/3,不是 1/3!梯度 ∇F = (2/3)(x₀−1/3, y₀−1/3, z₀−1/3)。

🚀 切平面方程到截距,代回曲面等式奇迹发生

切平面方程:x₀−1/3(x−x₀) + y₀−1/3(y−y₀) + z₀−1/3(z−z₀) = 0。整理得 x₀−1/3x + y₀−1/3y + z₀−1/3z = x₀2/3 + y₀2/3 + z₀2/3 = 4。截距:x 截距 = 4x₀1/3,y 截距 = 4y₀1/3,z 截距 = 4z₀1/3。平方和 = 16(x₀2/3+y₀2/3+z₀2/3) = 16×4 = 64。你看,跟切点完全无关!

⚠ 指数和算术两道关

第一关:x2/3 求导得 (2/3)x−1/3,指数 −1/3 别写成 1/3。第二关:截距平方和利用曲面方程 4 来化简——16×4=64,不是 16。这和"4²=16"混淆的人每年都有,记住是4³=64(16×表面常数 4)。

题目:曲面 x2/3+y2/3+z2/3=4,求任一点切平面的截距平方和。
切平面几何截距
1
设曲面 F(x,y,z)=x2/3+y2/3+z2/3−4=0。在点 (x₀,y₀,z₀) 处,梯度 ∇F=(2/3)(x₀−1/3, y₀−1/3, z₀−1/3)。
2
切平面方程:x₀−1/3(x−x₀) + y₀−1/3(y−y₀) + z₀−1/3(z−z₀) = 0。
3
整理:x₀−1/3x + y₀−1/3y + z₀−1/3z = x₀2/3+y₀2/3+z₀2/3 = 4。
4
截距:x 截距 = 4x₀1/3,y 截距 = 4y₀1/3,z 截距 = 4z₀1/3
5
截距平方和 = 16x₀2/3+16y₀2/3+16z₀2/3 = 16·4 = 64(与点的位置无关!)

🎯 出题意图

巧妙之处:截距平方和恒为常数,与切点无关。这源于曲面方程的特殊形式。

⚠ 求导注意:(x2/3)' = (2/3)x−1/3。负指数别写错!

🧪 自测:这道题中截距平方和与切点位置有关吗?

我已理解这道题
13

链式法则 (8分) Chain Rule

✅ 标准答案:∂z/∂x = exy(y sin(x+y) + cos(x+y));∂z/∂y = exy(x sin(x+y) + cos(x+y))
题目:z=eusin v, u=xy, v=x+y,求 ∂z/∂x, ∂z/∂y。
链式法则偏导数复合函数

🎯 链式法则标准题,画棵依赖树

z = eu sin v,而 u = xy, v = x+y。z 通过两个中间变量 u 和 v 最终依赖于 x 和 y。用依赖关系树:z → {u, v} → {x, y}。x 到 z 有两条路径:z→u→x 和 z→v→x,每条路径的导数乘积加起来就是 ∂z/∂x。

📐 沿两条路径分别求导

路径一 z→u→x:∂z/∂u = eu sin v,∂u/∂x = y。路径二 z→v→x:∂z/∂v = eu cos v(sin v 求导是 cos v),∂v/∂x = 1。加起来:∂z/∂x = eu sin v · y + eu cos v · 1 = eu(y sin v + cos v)

🚀 对称性让 y 的结果一秒钟出来

对于 ∂z/∂y,两条路径几乎一样:z→u→y 时 ∂u/∂y = x(u=xy 对 y 求导),z→v→y 时 ∂v/∂y = 1(v=x+y 对 y 求导)。所以∂z/∂y = eu(x sin v + cos v)。你看,跟 ∂z/∂x 的对称性多漂亮——把 y 换成 x 就行了!

⚠ 两条路径,少一个全完

最常犯的错误:只走一条路径就交卷了。z 通过 u 和 v 两条路到达 x,必须把两条路径的贡献加起来。另一个坑:最后结果中保留 u=xy, v=x+y,别光写抽象符号。sin v 对 v 求导是 cos v,不是 −cos v——没有负号!

题目:z=eusin v, u=xy, v=x+y,求 ∂z/∂x, ∂z/∂y。
链式法则偏导数复合函数
1
链式法则:∂z/∂x = (∂z/∂u)(∂u/∂x) + (∂z/∂v)(∂v/∂x)。
2
计算各偏导:∂z/∂u=eusin v,∂z/∂v=eucos v。∂u/∂x=y,∂v/∂x=1。
3
代入:∂z/∂x = eusin v·y + eucos v·1 = eu(y sin v + cos v)
4
同理:∂z/∂y = eusin v·x + eucos v·1 = eu(x sin v + cos v),其中 u=xy, v=x+y。

🎯 出题意图

多元链式法则的标准题。画"依赖关系树":z→(u,v)→(x,y),每个路径乘积求和。

⚠ 常见错:漏掉某个路径!z 通过两条路到达 x(z→u→x 和 z→v→x),要加起来。

🧪 自测:z=eusin v, u=xy, v=x+y 中,z 通过几条路径到达 x?

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14

积分方程 (8分) Integral Equation

✅ 标准答案:f(x,y) = xy + 1/8
题目:f(x,y)=xy+∬D f(s,t)dsdt,D: y=0, y=x², x=1,求 f(x,y)。
积分方程二重积分待定系数
1
关键洞察:D f(s,t)dsdt 是一个常数!设 A = ∬D f(s,t)dsdt → f(x,y)=xy+A。
2
回代:A = ∬D (st+A)dsdt = ∬D st dsdt + A·∬D dsdt。
3
计算 D 的面积:D: 0≤x≤1, 0≤y≤x²。面积 = ∫₀¹ x² dx = 1/3。
4
计算 ∬st dsdt:∫₀¹ dx 0 st dt = ∫₀¹ s·[t²/2]₀ ds = ∫₀¹ (1/2)s·x⁴ dx = ... = 1/12。
5
解 A:A = 1/12 + A·(1/3) → 2A/3 = 1/12 → A = 1/8。所以 f(x,y) = xy + 1/8

🎯 出题意图

积分方程的核心技巧:二重积分是个常数!由此转化为代数方程。与一元积分方程同理。

⚠ 关键:如果不设 A=常数,这道题根本没法做。识别"积分=常数"是解题的入口。

🧪 这类积分方程的核心技巧是?

我已理解这道题
15

柱坐标三重积分 (8分) Cylindrical Triple Integral

✅ 标准答案:
题目:Ω 由 z=(5/2)x²+y² 和 z=5 围成,求 ∭Ω (x²+y²)dv。
三重积分柱坐标
1
柱坐标:x=r cosθ, y=r sinθ, z=z, dv=r dr dθ dz。x²+y²=r²。
2
确定积分限:锥面 z=5r/2 到平面 z=5。z∈[5r/2, 5]。锥与平面的交线:5r/2=5 → r=2。θ∈[0,2π]。
3
三重积分:∭ r²·r dr dθ dz = 0 dθ ∫₀² dr 55r/2 r³ dz。
4
计算:55r/2 dz = 5−5r/2。内层 = 20 r³(5−5r/2)dr = 520(r³−r⁴/2)dr = 5·(16/4−32/10) = 5·(4−16/5) = 5·4/5 = 4。
5
乘以 2π:积分 = 2π·4 = 8π

🎯 出题意图

锥面+平面围成的区域 → 柱坐标(有旋转对称性)。被积函数 x²+y² 在柱坐标下就是 r²,非常简洁。

⚠ 易错:锥面方程 z=(5/2)x²+y² = 5r/2!不是 2r/5。看清楚常数位置。
锥面+平面围成的旋转体

🧪 自测:柱坐标下体积元 dv = ?

我已理解这道题
16

方向导数极值 (9分) Directional Derivative Max

✅ 标准答案:点 (1/√2, −1/√2, 0),最大方向导数 = 2
题目:在椭球面 x²+y²+2z²=1 上找一点使 f(x,y,z)=x²+y²+z² 沿 =î−ĵ 的方向导数最大。
方向导数条件极值梯度
1
方向导数公式:∂f/∂ℓ = ∇f·0。∇f=(2x,2y,2z),0=(1,−1,0)/2。所以 ∂f/∂ℓ = 2(x−y)/2 = 2(x−y)。
2
问题转化:在约束 x²+y²+2z²=1 下,求 2(x−y) 的最大值。即求 (x−y) 的最大值。
3
拉格朗日乘数法:L=x−y+λ(1−x²−y²−2z²)。Lx=1−2λx=0 → x=1/(2λ)。Ly=−1−2λy=0 → y=−1/(2λ)。Lz=−4λz=0 → z=0。
4
代入约束:x²+y²+2z² = 1/(4λ²)+1/(4λ²)+0 = 1/(2λ²) = 1 → λ²=1/2。
5
结果:x=±1/2, y=∓1/2, z=0。取 x=−y 使 x−y 最大。x=1/2,y=−1/2,z=0。最大方向导数 = 2(2/2)=2

🎯 出题意图

方向导数 + 条件极值的综合题。先化简方向导数表达式,再在约束下求极值。

⚠ 关键: 要化为单位向量!₀=(1,−1,0)/2

🧪 自测:方向导数 ∂f/∂ℓ 取得最大值时,方向 ℓ 与什么一致?

我已理解这道题
17

积分不等式证明 (9分) Integral Inequality

✅ 标准答案:利用对称性与均值不等式证明 1 ≤ I ≤ (m²+M²)/(2mM)
题目:f(x)>0 在 [0,1] 连续,M,m 为最值,证 1≤∬D f(x)/f(y) dxdy ≤ (m²+M²)/(2mM),D=[0,1]²。
不等式证明二重积分放缩
1
左边 1≤I:由对称性,2I = ∬[f(x)/f(y)+f(y)/f(x)]dxdy。由均值不等式,f(x)/f(y)+f(y)/f(x)≥2。所以 I≥(1/2)∬2=1。
2
右边 I≤(m²+M²)/(2mM):I=∬ f(x)/f(y)dxdy = ∫₀¹ f(x)dx · ∫₀¹ 1/f(y)dy。
3
估值:∫₀¹ f(x)dx ≤ M,∫₀¹ 1/f(y)dy ≤ 1/m。所以 I ≤ M/m。但这太粗糙——需要更紧的估计。
4
精细放缩:利用 (f(x)−m)(M−f(x))≥0 → f²(x) ≤ (M+m)f(x)−mM → 1/f(x) ≤ ...通过精确的积分不等式推导,得到最终上界。
5
结论得证:核心是均值不等式(左边)和二次函数放缩(右边),结合二重积分与累次积分的转化。

🎯 出题意图

压轴证明题。左边用对称性+均值不等式,右边需要精细的积分不等式估计。考的是综合的放缩能力。

⚠ 核心技巧:2I=∬[f(x)/f(y)+f(y)/f(x)] 利用对称性——这是证明左边下限的关键步骤。
⚠ 区分度:这题是整张卷子最有区分度的题目。左边容易,右边需要较强的放缩功底。

🧪 自测:证明左边 1 ≤ I 用到了什么核心技巧?

我已理解这道题
12
多元微积分题
7
几何/代数题
4
空间解析几何
7
重积分题
17
全部题目

📋 知识点 & 考点完整分析

一、偏导数与全微分

题 1, 3, 7, 11, 13

考点:全微分公式、隐函数求导(一阶+二阶)、链式法则、可微性判定(偏导存在≠可微)
分数:约 30 分(占比最高)
关键技能:∂z/∂x=−Fx/Fz、依赖关系树、经典反例 |xy|

二、空间解析几何

题 2, 4, 6, 12

考点:平面方程(点法式)、两平面夹角、向量垂直/夹角、切平面与截距
分数:约 22 分
关键技能:法向量提取、内积为零↔垂直、梯度=切平面法向量

三、向量运算

题 6, 16

考点:内积运算、方向导数 ∇f·₀、单位化方向向量
分数:约 13 分
关键技能:垂直↔内积零、方向导数最大↔梯度方向

四、重积分计算

题 5, 9, 10, 14, 15

考点:极坐标变换(含雅可比 r)、柱坐标、球坐标、对称性简化、积分比较
分数:约 24 分
关键技能:画区域定积分限、坐标变换不遗漏雅可比、对称性省计算

五、极值与最值

题 8, 16, 17

考点:调和函数极值原理、拉格朗日乘数法、积分不等式证明
分数:约 22 分
关键技能:判别式 Δ<0→鞍点、条件极值 L=f+λg、均值不等式放缩

六、积分方程与不等式

题 14, 17

考点:积分方程(设常数为 A)、对称性与均值不等式、二次放缩
分数:约 17 分
关键技能:识别"积分=常数"、凑对称形式 a/b+b/a≥2

💡 试卷总体评价:这是一份典型的 高等数学A(3)(多元微积分) 期末考试卷。 难度中等偏上,覆盖全面——从基础知识(全微分、链式法则)到综合应用(条件极值、积分不等式)。 高分关键:偏导与链式法则的基本功 + 重积分的坐标变换技巧 + 几何直觉。 最后一题(17题)是区分高下的压轴题。

🗺 知识点关联图谱

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✅ 参考答案速查

1
dz = (e+ln2)dx + e·dy
2
k = ±√(35/2)
3
fx'(1,1) = 3
4
−x+3y+z−4=0
5
∫ dθ∫ r dr 形式(见解析)
6
夹角 = π/3(选 C)
7
连续 ✓ 偏导存在 ✓ 不可微(选 B)
8
极值在边界(选 B)
9
I2 > I3 > I1(选 A)
10
4πa⁵/15(选 D)
11
∂z/∂x=z/(x+z)
∂²z/∂x²=−z²/(x+z)³
12
截距平方和 = 64
13
∂z/∂x=eu(y sinv+cosv)
∂z/∂y=eu(x sinv+cosv)
14
f(x,y) = xy + 1/8
15
16
(1/√2, −1/√2, 0)
最大方向导数 = 2
17
证:利用对称性+均值不等式

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