圖書在版編目(CIP)數據高等數學學習指導書/熊小峰,肖水晶主編.—南昌:江西高校出版社,2018.8ISBN978-7-5493-7413-7Ⅰ①高…Ⅱ①熊…②肖…Ⅲ①高等數學—高等學校—教學參考資料Ⅳ①O13中國版本圖書館CIP數據核字(2018)第176734號出版發行江西高校出版社社址江西省南昌市洪都北大道96號總編室電話(0791)88504319銷售電話(0791)88511423網址www.juacp.com印刷南昌市光華印刷有限責任公司經銷全國新華書店開本787mm×1092mm1/16印張21.5字數456千字版次2018年8月第1版2018年8月第1次印刷書號ISBN978-7-5493-7413-7定價35.00元贛版權登字-07-2018-780版權所有侵權必究圖書若有印裝問題,請隨時向本社印製部(0791-88513257)退換書
!\"#$本書主要內容包括一元函數微積分和多元函數微積分、向量代數和空間解析幾何、無窮級數、微分方程等內容。書中每章分三部分:內容提要、例題分析和目標測試題(附參考答案)。通過對400多道典型例題進行分析和求解,揭示了高等數學的解題方法和技巧。
本書是高等學校理工科和經濟管理學科等有關專業學生學習高等數學課程的學習指導書,也可作為考研及大學生數學競賽的複習參考資料,並可供大專院校數學教師及其他有關人員作為參考。
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書!\"高等數學是高等院校理工科、經濟管理學科等門類各專業學生必修的一門重要基礎課,也是碩士研究生入學考試的一門必考科目。
它既是其他數學課程的基礎,也是物理學、經濟學等各專業課程的重要工具。
本書是按照“高等數學課程教學基本要求”,結合“全國碩士研究生入學統一考試數學考試大綱”的要求編寫而成的,它包括一元函數微積分和多元函數微積分、向量代數和空間解析幾何、無窮級數、微分方程等內容。書中每章分三部分:內容提要、例題分析和目標測試題(附參考答案)。通過對400多道典型例題進行分析和求解,揭示了高等數學的解題方法和技巧。每章的目標測試題,作為自我檢查之用。我們在編寫本書時,力求內容完善、例題豐富、題型全麵,相當一部分例題選自全國研究生入學考試數學試題。本書側重於提高解題能力,所提供的解題方法編者都經過反複推敲,希望通過典型例題的求解,啟發讀者的解題思路,以達到舉一反三的效果。全書共分十二章,由江西理工大學熊小峰、賴新興、黃江燕、羅淑珍和南昌大學董秋仙、肖水晶、高文明編寫,熊小峰、肖水晶對全書進行統稿。本書是高等學校理工科和經濟管理學科等有關專業學生學習高等數學課程的學習指導書,也可作為考研及大學生數學競賽的複習參考資料,並可供大專院校數學教師及其他有關人員作為參考。
由於編者水平有限,書中缺點錯誤在所難免,懇請讀者批評指正。
編者2018年5月!
書!\"#$%&$''''!\"第一章!
函數、極限與連續內容提要1例題分析5目標測試題27第二章\"#導數與微分內容提要30例題分析34目標測試題56第三章$%中值定理與導數應用內容提要59例題分析64目標測試題80!
書!\"#$$%&''''(!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()第四章&''''不定積分內容提要82例題分析84目標測試題94第五章$%定積分內容提要96例題分析99目標測試題137第六章!\"#定積分的應用內容提要140例題分析142目標測試題153''''
書!\"!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()第七章\"$$向量代數與空間解析幾何內容提要155例題分析161目標測試題169第八章\"#\"多元函數微分法及其應用內容提要171例題分析179目標測試題208第九章!\"\"重積分內容提要211例題分析217目標測試題240%
書!\"#$$%&''''(!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()第十章%&%曲線積分與曲麵積分內容提要242例題分析248目標測試題266第十一章!#$無窮級數內容提要267例題分析273目標測試題297第十二章!\"\"常微分方程內容提要299例題分析305目標測試題326''''!(目標測試題參考答案&
書!\"#$%!&''''()*!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()第一章函數、極限與連續內容提要基本概念函數的定義設x和y是兩個變量,D是一個給定的數集.如果當變量x在D中任意取定一個數值時,變量y按照一定的法則總有確定的數值與它對應,則稱y是x的函數,記作y=f(x).數集D叫作這個函數的定義域,x叫作自變量,y叫作因變量.記號f表示從變量x到變量y的對應關係.單調性設函數f(x)在區間I上有定義,若對任意的x,y∈I,當x<y時,恒有f(x)<f(y)(或恒有f(x)>f(y)),則稱f(x)在區間I上是單調增加(或單調減少)的函數.單調增加與單調減少函數統稱為單調函數.奇偶性設函數f(x)的定義域D關於原點對稱.(1)若對任意x∈D有f(-x)=-f(x),則稱f(x)為奇函數;(2)若對任意x∈D,有f(-x)=f(x),則稱f(x)為偶函數.周期性設函數f(x)以D為定義域,若存在正數T,使得對任意x∈D,有x+T∈D,且f(x+T)=f(x),則稱f(x)為周期函數,並稱T為f(x)的一個周期.有界性設函數f(x)在數集D有定義.若存在常數B,使得對任意x∈D,有f(x)≤!
書!\"#$$%&''''(!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()B(或有f(x)≥B),則稱f(x)在數集D有上界(或有下界),且稱B為f(x)在數集D的一個上界(或下界).若存在M>0,使得對任意x∈D,有|f(x)|≤M,則稱f(x)在數集D有界;否則稱f(x)是在數集D的無界函數.複合函數設函數y=f(u)的定義域是Df,函數u=φ(x)的定義域為Dφ,值域為Wφ.若Wφ∩Df≠Φ,則稱函數y=f[φ(x)]為x的複合函數.其中x是自變量,y是因變量,而u稱為中間變量.分段函數如果一個函數在其定義域內,對應於不同的區間段有著不同的表達形式,則稱該函數為分段函數.初等函數由常數及基本初等函數經過有限次四則運算和有限次的函數複合步驟所構成,並可用一個式子表示的函數.數列極限定義如果存在常數a,對於任意給定的ε>0,均存在正整數N(ε)>0,使得當n>N時,恒有|xn-a|<ε,則稱limxn=a.n→∞函數極限定義(1)若對任意給定的ε>0,均存在著X(ε)>0,當|x|>X時恒有|f(x)-A|<ε,則稱limf(x)=A;x→∞(2)若對任意給定的ε>0,均存在著δ(ε)>0,當0<|x-x0|<δ時,恒有|f(x)-A|<ε,則稱limf(x)=A.x→x0左、右極限的定義(1)若對任意給定的ε>0,總存在著δ(ε)>0,當x0-δ<x<-
x0時恒有|f(x)-A|<ε,則稱左極限limf(x)=A,或稱左極限f(x0)=A;-
x→x0(2)若對任意給定的ε>0,總存在著δ(ε)>0,當x0<x<x0+δ時恒有+
|f(x)-A|<ε,則稱右極限limf(x)=A,或稱右極限f(x0)=A.+
x→x0無窮小如果函數f(x)當x→x0(或x→∞)時的極限為零,那麼稱函數f(x)為當x→x0(或x→∞)時的無窮小.特別地,以零為極限的數列{xn}稱為n→∞時的無窮小.無窮大如果當x→x0(或x→∞)時,對應的函數值的絕對值|f(x)|無限增大,就稱函數f(x)為當x→x0(或x→∞)時的無窮大.記為limf(x)=∞(或limf(x)=∞)!
x→x0x→∞當x→x0(或x→∞)時為無窮大的函數f(x),按函數極限定義來說,極限是不存在的.但為了便於敘述函數的這一性態,我們也說“函數的極限是無窮大”.無窮小的比較設limα(x)=0,limβ(x)=0.x→x0x→x0(x→∞)(x→∞)!
書!\"#$%!&''''()*!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()α(x)(1)若lim=0,則稱α(x)是比β(x)高階的無窮小,記作α(x)=o(β(x)).x→x0β(x)(x→∞)α(x)(2)若lim=∞,則稱α(x)是比β(x)低階的無窮小.x→x0β(x)(x→∞)α(x)(3)若lim=C(C≠0),則稱α(x)與β(x)是同階無窮小.x→x0β(x)(x→∞)α(x)(4)若lim=1,則稱α(x)與β(x)是等階無窮小,記作α(x)~β(x).x→x0β(x)(x→∞)α(x)(5)若limk=C(C≠0),k>0,則稱α(x)為β(x)的k階無窮小.x→x0β(x)(x→∞)常用的等價無窮小當x→0時,sinx~x,arcsinx~x,tanx~x,arctanx~x,xx12ln(1+x)~x,e-1~x,a-1~xlna,1-cosx~x,(1+x)α-1~αx(α≠0).2
函數連續性定義1設函數f(x)在x0的某一鄰域內有定義.給x在x0處以增量Δx,相應地得到函數增量Δy=f(x0+Δx)-f(x0),若limΔy=0,則稱f(x)在點x0處連續.Δx→0函數連續性定義2設函數f(x)在點x0的某一鄰域內有定義且limf(x)=f(x0),則x→x0稱f(x)在點x0處連續.函數間斷點定義若函數f(x)在點x0的某一去心鄰域內有定義,且出現如下三種情形之一:(1)f(x)在點x0無定義;(2)limf(x)不存在;x→x0(3)f(x)在點x0有定義,且limf(x)存在但limf(x)≠f(x0),則稱x0為函數f(x)的x→x0x→x0間斷點.間斷點的類型+-第一類間斷點:f(x0),f(x0)均存在,且x0是f(x)的間斷點.+-若f(x0)=f(x0),則x=x0稱為f(x)的可去間斷點.+-若f(x0)≠f(x0),則x=x0稱為f(x)的跳躍間斷點.+-第二類間斷點:f(x0),f(x0)中至少有一個不存在.+-若f(x0),f(x0)中有一個為∞,則x=x0稱為無窮間斷點.主要定理、公式、基本方法+-定理1limf(x)=Af(x0)=f(x0)=A.x→x0!
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!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()定理2limf(x)=Af(x)=A+α(x),其中limα(x)=0.x→x0x→x0。
定理3(保號性定理)若limf(x)=A,A>0(或A<0),則存在δ>0,當x∈U(x0,x→x0δ)時,f(x)>0(或f(x)<0).(數列極限也有類似的保號性定理.)定理4若limf(x)=A,且在x0的某去心鄰域內f(x)≥0(或f(x)≤0),則A≥0(或x→x0A≤0).(數列極限也有類似的定理.)定理5單調有界數列必有極限.定理6(夾逼準則)設在x0的某去心鄰域內恒有φ(x)≤f(x)≤ψ(x),且limφ(x)=limψ(x)=a,則limf(x)=a.(數列極限也有類似的夾逼準則.)x→x0x→x0x→x0定理7無窮小的運算性質:(1)有限個無窮小的和仍為無窮小;(2)有限個無窮小的乘積仍為無窮小;(3)無窮小乘以有界函數仍為無窮小.定理8(無窮小與無窮大的關係定理)在自變量的同一變化過程中,無窮大的倒數為無窮小;非“0”的無窮小之倒數為無窮大.定理9極限的四則運算法則(數列極限也有相應的極限四則運算法則):設limf(x)=A,limg(x)=B,則x→x0x→x0(x→∞)(x→∞)(1)lim[f(x)±g(x)]=limf(x)±limg(x)=A±B;(2)lim[f(x)·g(x)]=limf(x)·limg(x)=A·B;f(x)limf(x)A(3)lim==(B≠0).g(x)limg(x)B定理10基本初等函數在其定義域內都是連續的.定理11初等函數在其定義區間內都是連續的.定理12(最大值和最小值定理)在閉區間上連續的函數必有最大值和最小值.定理13(有界性定理)在閉區間上連續的函數在該區間上一定有界.定理14(介值定理)設函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,且在這區間的兩個端點處取不同的函數值f(a)=A及f(b)=B,那麼,對於A與B之間的任意一個數C,在開區間(a,b)內至少有一點ξ,使得f(ξ)=C(a<ξ<b).定理15(零點定理)設函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,且f(a)與f(b)異號,那麼函數f(x)在開區間(a,b)內至少有一個零點,即至少有一點ξ∈(a,b),使f(ξ)=0.重要公式!
書!\"#$%!&''''()*!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()sinx1.lim=1.x→0x該極限的特點是:0
(1)型未定式;0
sin□(2)求極限的函數形為.□
11x2.lim(1+x)x=e,lim(1+)=e.x→0x→∞x該極限的特點是:(1)1∞型未定式;1
(2)求極限的函數形為(1+□)□.例題分析2π例1求函數f(x)=-3x+7x-2+lnsin的定義域.槡x解為使槡-3x2+7x-2有意義,需-3x2+7x-2≥0,即1
≤x≤2.3
ππ為使lnsin有意義,需sin>0,即xxπ
2kπ<<(2k+1)π(k=0,±1,±2,…).x
1當k=0時,0<<1,即x>1;x
11當k≠0時,<x<(k=±1,±2,…).2k+12k因此,必須滿足1
1?≤x≤2,≤x≤2,?33或?
{?11x>1<x<(k=±1,±2,…).?2k+12k11故所求定義域為(,)∪(1,2].32!
書!\"#$$%&''''(!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()1
例2設f(x)=ln(3-x)+,求g(x)=f(x+a)+f(x-a)的定義槡49-x2域(a>0).解當3-x>0且49-x2>0時,f(x)有意義.即f(x)的定義域為(-7,3).-7<x+a<3,為使g(x)有意義,x需滿足{-7<x-a<3.即x∈(-7-a,3-a)且x∈(-7+a,3+a).由a>0知,當-7+a<3-a,即0<a<5時,g(x)的定義域為(-7+a,3-a);當-7+a≥3-a,即a≥5時,g(x)無定義.1-x1例3設f(x)=,求f(x+1),f().1+xx1-(x+1)-x解f(x+1)==,x≠-2.1+(x+1)x+21
1-1xx-1f()==,x≠-1且x≠0.x1x+11+x
12例4設f()=x+1+x(x≠0),求f(x).x槡11解令t=,則x=.xt2
11211+tf(t)=+1+()=+槡,t槡tt|t|11+x2所以f(x)=+槡,x≠0.x|x|x-1例5設f(x)+f()=2x,其中x≠0,x≠1,求f(x).x
x-111解令t=,則x=.將x=代入原方程得x1-t1-t12f()+f(t)=,1-t1-t12即f(x)+f()=.①1-x1-x1u-11再令=,即x=,代入式①得1-xu1-u!
書!\"#$%!&''''()*!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()1u-12(u-1)f()+f()=,1-uuu1x-12(x-1)即f()+f()=.②1-xxx由原方程、①式、②式得11f(x)=x++-1.x1-x2
例6已知f(x)=ex,f[φ(x)]=1-x且φ(x)≥0,求φ(x)並寫出它的定義域.[φ(x)]2解由e=1-x,得φ(x)=槡ln(1-x).由ln(1-x)≥0,得x≤0,所以φ(x)=槡ln(1-x),x≤0.例7設f(x)對一切實數x,y滿足等式f(x+y)=f(x)f(y),且f(0)≠0,f(1)=a.證明:(1)f(0)=1;(2)對一切正整數n,有f(n)=an.證(1)令x=y=0,則f(0)=[f(0)]2,因f(0)≠0,故f(0)=1.(2)用數學歸納法證明.①當n=1時,f(1)=a=a1,等式成立;②設當n=k時等式成立,即f(k)=ak.則當n=k+1時,f(k+1)=f(k)f(1)=ak·a=ak+1,即當n=k+1時等式也成立.由數學歸納法知,對一切自然數n,均有f(n)=an.例8研究下列函數的有界性:1+x2x(1)f(x)=;(2)g(x)=.1+x41+x2解(1)顯然f(x)>0,且1+x2≥1.又1+x2≤(1+x2)2≤(1+x2)2+(1-x2)2=2(1+x4).1+x2所以0<≤2.1+x4故f(x)在其定義域上有界.22|x|x1(2)因為1-2|x|+x≥0,所以≤1,即||≤.故g(x)在其定義1+x21+x22域上有界.!
書!\"#$$%&''''(!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()x
例9證明:f(x)=在[0,+∞)上是單調增加的,並由此證明不等式1+x|a+b||a||b|≤+.1+|a+b|1+|a|1+|b|證任給x1及x2且滿足0≤x1<x2<+∞.因為x2x1x2-x1f(x2)-f(x1)=-=>0,1+x21+x1(1+x1)(1+x2)所以f(x2)>f(x1).即f(x)在[0,+∞)上是單調增加的.取x1=|a+b|,x2=|a|+|b|,顯然0≤x1≤x2,從而f(x1)≤f(x2),僅當x1=x2時等號成立.|a+b||a|+|b|因此≤1+|a+b|1+|a|+|b||a||b|=+1+|a|+|b|1+|a|+|b||a||b|≤+.1+|a|1+|b|例10判斷下列函數的奇偶性:ex-11-x(1)f(x)=ln(-1<x<1);ex+11+xxx(2)g(x)=(2+槡3)+(2-槡3).e-x-11-(-x)e-x-11+x解(1)f(-x)=ln=lne-x+11+(-x)e-x+11-x1-ex1-x=(-ln)1+ex1+xex-11-x=ln=f(x),ex+11+x所以f(x)是偶函數.-x-x(2)g(-x)=(2+槡3)+(2-槡3)1x1x=()+()2+槡32-槡3xx=(2-槡3)+(2+槡3)=g(x).所以g(x)是偶函數.!
書!\"#$%!&''''()*!
!\"#$%&!''''()*)%*)%*+,(+$-#''''()1c例11設f(x)滿足af(x)+bf()=,其中a,b,c為常數,且|a|≠|b|,證明:xxf(x)是奇函數.1
證將所給等式中的x換為,得x
1af()+bf(x)=cx.①x
c若a=0,則f(x)=x,這顯然是奇函數.b
若a≠0,則由①式得11f()=[cx-bf(x)],xa將其代入原等式,解得a