高等数学第六版下册课后习题答案.doc

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1、第八章 多元函数微分法及其应用第一节 多元函数的基本概念本节主要概念，定理，公式和重要结论理解多元函数的概念，会表达函数，会求定义域；理解二重极限概念，注意是点以任何方式趋于;注意理解本节中相关概念与一元函数中相应内容的区分与联系。习题 811.求下列函数表达式:(1)，求解：(2)，求解：2.求下列函数的定义域，并绘出定义域的图形:(1) 解：(2)解：(3) 解：3.求下列极限:(1) 解：(2)解一：解二：(3)(4)解一：解二：(4)解一：解二：4.证明下列函数当时极限不存在:(1)解：(2)解：5.下列函数在何处是间断的?(1) 解：(2)解：第二节 偏导数本节主要概念，定理，公式和

2、重要结论1.偏导数：设在的某一邻域有定义，则，.的几何意义为曲线在点处的切线对轴的斜率. 在任意点处的偏导数、称为偏导函数，简称偏导数.求时，只需把视为常数，对求导即可.2.高阶偏导数的偏导数的偏导数称为二阶偏导数，二阶偏导数的偏导数称为三阶偏导数，如此类推. 二阶偏导数依求导次序不同，有如下4个：，其中后两个称为混合偏导数.若两个混合偏导数皆为连续函数，则它们相等，即可交换求偏导数的次序.高阶混合偏导数也有类似结果.习题 821.求下列函数的一阶偏导数:(1)解：(2)解：(3)解：(4)解：(5)解：(6)解：(7)(8)解：(8)解：2.求下列函数在指定点处的一阶偏导数:（1），求解：（

3、2），求解：3.求下列函数的高阶偏导数:(1)， 求，解：(2)，求，解：(3)， 求， 解：4.设 ，求和.解：5.设， 求证解: 6.设， 证明证明: 由轮换对称性, 第三节 全微分本节主要概念，定理，公式和重要结论1.全微分的定义若函数在点处的全增量表示成则称在点可微，并称为在点的全微分，记作.2.可微的必要条件：若在可微，则 （1）在 处连续； （2）在处可偏导，且，从而 .一般地，对于区域内可微函数， .3.可微的充分条件：若在的某邻域内可偏导，且偏导数在处连续，则在可微。 注：以上定义和充分条件、必要条件均可推广至多元函数。习题 831.求下列函数的全微分(1) (2)解: (2)

4、解: (3) 解: (4)解: (5)解: 所以(6)解: 2.求函数，当时的全微分.解: 3.求函数，当 时的全增量与全微分.解: 4.研究函数在点处的可微性.解: 由于，所以在点连续，又又所以所以在点处可微5.计算的近似值.解：令，则，再设则6.已知边长 的矩形，如果边增加5cm，而边减少10cm，求这个矩形的对角线的长度变化的近似值.解：对角线长为，则，所以第四节 多元复合函数的求导法则本节主要概念，定理，公式和重要结论复合函数的求导法则（链式法则）如下：1.设在可偏导，在相应点有连续偏导数，则在 的偏导数为2.推广：(1)多个中间变量：设， 则且(2)只有一个中间变量：设则且(3)只有

5、一个自变量：设，则且 习题841.求下列复合函数的一阶导数(1)解：(2)解：(3)解：(4)解：2.求下列复合函数的一阶偏导数(1)解：(2)解：3.求下列复合函数的一阶偏导数（是类函数）(1)解：，(2)解：，(3)解：，(4)解：，4.设且具有二阶连续偏导数，求解：5.已知，其中有二阶连续导数，求解：6.设，其中有连续二阶偏导数，求解：第五节 隐函数的求导公式本节主要概念，定理，公式和重要结论1.一个方程的情形（1）若方程确定隐函数， 则.（2）若方程确定隐函数，则；.2.方程组的情形（1）若确定，则，.（2）若确定，则，；，.习题851求下列方程所确定的隐函数的一阶导数(1)解：(2)

6、解：(3)解：(4)解：2求下列方程所确定的隐函数的一阶偏导数(1)解：(2)解：(3)解：，(4)解：3求下列方程所确定的隐函数的指定偏导数(1)设解：(2)设 解：(3)设解：(4)设解：4设，而是由方程所确定的隐函数，求解：又，所以5.求由下列方程组所确定的隐函数的导数或偏导数（1）设，求 解：(2)设，求 解：6.设，求解：又所以7.设，而是由方程所确定的的函数，其中都具有一阶连续偏导数.试证明 解：由，又所以第六节 多元函数微分学的几何应用本节主要概念，定理，公式和重要结论1.空间曲线的切线与法平面 设点，(1)参数方程情形： 若，则切向量为；其中； 切线方程为；法平面方程为.(2)

7、一般方程情形：若 ，则切向量为；切线方程为；法平面方程为.2.空间曲面的切平面与法线 设点 .(1)隐式方程情形 若，则法向量为；切平面为；法线为 .(2)显式方程情形 若，则法向量为，切平面为；法线为.(3)参数方程情形 若，则法向量 ，切平面为；法线为.习题861求曲线 对应的点处的切线和法平面方程.解：切线：法平面：2求下列曲面在指定点处的切平面与法线方程（1），点 解：切平面：法线：（2），点解：切平面：即法线：3求出曲线上的点，使在该点的切线平行于平面.解：设曲线在点的切向量为平面的法向量为，由题意可知所以，该点为4求椭球面上平行于平面的切平面方程.解：设曲面在点处的法向量为，则，由

8、题意可知，令，又，所以，代入得所以切平面方程为或即或5试证曲面上任何点处的切平面在各坐标轴上的截距之和等于1.证明：设为曲面上任一点，则曲面在该点处的法向量为，那么切平面的方程为即，该平面在三个坐标轴上的截距为，故6求曲线在点处的切线和法平面方程.解：曲线在点处的切向量为所以切线的方程为法平面为，即第七节 方向导数与梯度本节主要概念，定理，公式和重要结论1.方向导数(1)定义 设在点的某邻域内有定义，是任一非零向量， ，则在点处沿的方向导数定义为表示函数在点处沿方向的变化率.(2)计算公式若在点处可微，则对任一单位向量，有（此也为方向导数存在的充分条件）.2.梯度(1)定义 设，则梯度grad

9、为下式定义的向量：grad（或）.(2)方向导数与梯度的关系(3)梯度的特征刻画梯度是这样的一个向量，其方向为在点处增长率最大的一个方向；其模等于最大增长率的值.习题871求下列函数在指定点处沿指定方向的方向导数(1)为从点（1，2）到点（2，2+）的方向解：方向为，而所以(2)解：而所以2求函数在抛物线上点（1，2）处，沿着这抛物线在该点处偏向轴正向的切线方向的方向导数.解：抛物线在点处的切向量为3求函数 在点处沿方向角为的方向的方向导数.解：4设具有一阶连续的偏导数，已给四个点，若在点处沿方向的方向导数等于3，而沿方向的方向导数等于26，求在点处沿方向的方向导数.解：所以5设，求grad及

10、grad解：6问函数在点处沿什么方向的方向导数最大？并求此方向导数的最大值.解：沿梯度方向的方向的方向导数最大第八节 多元函数的极值及其求法本节主要概念，定理，公式和重要结论1.极大（小）值问题必要条件. 若在点有极值且可偏导，则.使偏导数等于零的点称为的驻点（或稳定点）.驻点与不可偏导点都是可疑极值点，还须用充分条件检验.充分条件. 设在区域内是类函数，驻点，记（1）当时，是极值，且是极小（大）值；（2）当时，不是极值；（3）当时，还需另作判别.2.最大（小）值问题首先找出在上的全部可疑极值点（设为有限个），算出它们的函数值，并与的边界上的最大.最小值进行比较，其中最大、最小者即为在上的最大

11、、最小值.对于应用问题，若根据问题的实际意义，知目标函数在内一定达到最大（小）值，而在内的可疑极值点唯一时，无须判别，可直接下结论：该点的函数值即为在内的最大（小）值.3.条件极值（拉格朗日乘子法）求目标函数在约束方程下的条件极值，先作拉格朗日函数,然后解方程组，则可求得可疑极值点.对于二元以上的函数和多个约束条件，方法是类似的。习题 881求下列函数的极值（1）解：，故在处取得极大值（2）解：可疑极值点有四个，即点-6600006-6-6600-36-363636是否极值点极大值点极小值点不是不是2求下列函数在约束方程下的最大值与最小值（1）解：令最大值最小值（2）解：令最大值，最小值3从斜

12、边之长为的一切直角三角形中，求有最大周长的直角三角形.解：令所以当直角三角形的两直角边时，该直角三角形的周长最大，且为4求两曲面交线上的点与面距离最小值.解：设两曲面交线上的点为，由题意可得令，所以当时，到面的距离最短。5求抛物线到直线之间的最短距离.解：设抛物线上任一点到直线的距离为，则令所以，点到直线的距离为为最小，且 6求表面积为1500cm2，全部棱长之和为200cm的长方体体积的最大值和最小值.解：设长方体的三条棱长分别为，由题意可知，令当时，所以当时，有最大和最小值，即7抛物面被平面截成一椭圆，求原点到这椭圆的最长与最短距离.解：曲线上任一点到坐标原点的距离为，则令当时，矛盾，所以

13、，即，代入得所以，即习题9-1 1. 设有一平面薄板(不计其厚度), 占有xOy面上的闭区域D, 薄板上分布有密度为m =m(x, y)的电荷, 且m(x, y)在D上连续, 试用二重积分表达该板上全部电荷Q. 解 板上的全部电荷应等于电荷的面密度m(x, y)在该板所占闭区域D上的二重积分. 2. 设, 其中D1=(x, y)|-1x1, -2y2; 又, 其中D2=(x, y)|0x1, 0y2. 试利用二重积分的几何意义说明I1与I2的关系. 解 I1表示由曲面z=(x2+y2)3与平面x=1, y=2以及z=0围成的立体V的体积. I2表示由曲面z=(x2+y2)3与平面x=0, x=

14、1, y=0, y=2以及z=0围成的立体V1的体积. 显然立体V关于yOz面、xOz面对称, 因此V 1是V位于第一卦限中的部分, 故V=4V1, 即I1=4I2. 3. 利用二重积分的定义证明: (1) (其中s为D的面积); 证明 由二重积分的定义可知, 其中Dsi表示第i个小闭区域的面积. 此处f(x, y)=1, 因而f(x, h)=1, 所以, . (2) (其中k为常数); 证明 . (3), 其中D=D1D2, D1、D2为两个无公共内点的闭区域. 证明 将D1和D2分别任意分为n1和n2个小闭区域和, n1+n2=n, 作和 . 令各和的直径中最大值分别为l1和l2, 又l=

15、max(l1l2), 则有 , 即 . 4. 根据二重积分的性质, 比较下列积分大小: (1)与, 其中积分区域D是由x轴, y轴与直线x+y=1所围成; 解 区域D为: D=(x, y)|0x, 0y, x+y1, 因此当(x, y)D时, 有(x+y)3(x+y)2, 从而. (2)与, 其中积分区域D是由圆周(x-2)2+(y-1)2=2所围成; 解 区域D如图所示, 由于D位于直线x+y=1的上方, 所以当(x, y)D时, x+y1, 从而(x+y)3(x+y)2, 因而. (3)与, 其中D是三角形闭区域, 三角顶点分别为(1, 0), (1, 1), (2, 0); 解 区域D如

16、图所示, 显然当(x, y)D时, 1x+y2, 从而0ln(x+y)1, 故有 ln(x+y)2 ln(x+y), 因而 . (4)与, 其中D=(x, y)|3x5. 0y1. 解 区域D如图所示, 显然D位于直线x+y=e的上方, 故当(x, y)D时, x+ye, 从而 ln(x+y)1, 因而 ln(x+y)2ln(x+y),故 . 5. 利用二重积分的性质估计下列积分的值: (1), 其中D=(x, y)| 0x1, 0y1; 解 因为在区域D上0x1, 0y1, 所以 0xy1, 0x+y2, 进一步可得 0xy(x+y)2, 于是 , 即 . (2), 其中D=(x, y)|

17、0xp, 0yp; 解 因为0sin2x1, 0sin2y1, 所以0sin2xsin2y1. 于是 , 即 . (3), 其中D=(x, y)| 0x1, 0y2; 解 因为在区域D上, 0x1, 0y2, 所以1x+y+14, 于是 , 即 . (4), 其中D=(x, y)| x2+y2 4. 解 在D上, 因为0x2+y24, 所以 9x2+4y2+94(x2+y2)+925. 于是 , ,即 . 习题9-2 1. 计算下列二重积分: (1), 其中D=(x, y)| |x|1, |y|1; 解 积分区域可表示为D: -1x1, -1y1. 于是 . (2), 其中D是由两坐标轴及直线

18、x+y=2所围成的闭区域: 解 积分区域可表示为D: 0x2, 0y2-x. 于是 . (3), 其中D=(x, y)| 0x1, 0y1; 解 . (4), 其中D是顶点分别为(0, 0), (p, 0), 和(p, p)的三角形闭区域. 解 积分区域可表示为D: 0xp, 0yx. 于是, . . 2. 画出积分区域, 并计算下列二重积分: (1), 其中D是由两条抛物线, 所围成的闭区域; 解 积分区域图如, 并且D=(x, y)| 0x1, . 于是 . (2), 其中D是由圆周x2+y2=4及y轴所围成的右半闭区域; 解 积分区域图如, 并且D=(x, y)| -2y2, . 于是

19、. (3), 其中D=(x, y)| |x|+|y|1; 解 积分区域图如, 并且 D=(x, y)| -1x0, -x-1yx+1(x, y)| 0x1, x-1y-x+1. 于是 =e-e-1. (4), 其中D是由直线y=2, y=x及y=2x轴所围成的闭区域. 解 积分区域图如, 并且D=(x, y)| 0y2, . 于是 . 3. 如果二重积分的被积函数f(x, y)是两个函数f1(x)及f2(y)的乘积, 即f(x, y)= f1(x)f2(y), 积分区域D=(x, y)| axb, c yd, 证明这个二重积分等于两个单积分的乘积, 即 证明 , 而 , 故 . 由于的值是一常

20、数, 因而可提到积分号的外面, 于是得 4. 化二重积分为二次积分(分别列出对两个变量先后次序不同的两个二次积分), 其中积分区域D是: (1)由直线y=x及抛物线y2=4x所围成的闭区域; 解 积分区域如图所示, 并且D=(x, y)|, 或D=(x, y)| ,所以 或. (2)由x轴及半圆周x2+y2=r2(y0)所围成的闭区域; 解 积分区域如图所示, 并且 D=(x, y)|, 或D=(x, y)| ,所以 , 或. (3)由直线y=x, x=2及双曲线(x0)所围成的闭区域; 解 积分区域如图所示, 并且 D=(x, y)|, 或D=(x, y)| (x, y)|,所以 , 或.

21、(4)环形闭区域(x, y)| 1x2+y24. 解 如图所示, 用直线x=-1和x=1可将积分区域D分成四部分, 分别记做D1, D2, D3, D4. 于是 用直线y=1, 和y=-1可将积分区域D分成四部分, 分别记做D1, D2, D3, D 4, 如图所示. 于是 5. 设f(x, y)在D上连续, 其中D是由直线y=x、y=a及x=b(ba)围成的闭区域, 证明:. 证明 积分区域如图所示, 并且积分区域可表示为 D=(x, y)|axb, ayx, 或D=(x, y)|ayb, yxb. 于是 , 或. 因此 . 6. 改换下列二次积分的积分次序: (1); 解 由根据积分限可得

22、积分区域D=(x, y)|0y1, 0xy, 如图. 因为积分区域还可以表示为D=(x, y)|0x1, xy1, 所以 . (2); 解 由根据积分限可得积分区域D=(x, y)|0y2, y2x2y, 如图. 因为积分区域还可以表示为D=(x, y)|0x4, , 所以 . (3); 解 由根据积分限可得积分区域, 如图. 因为积分区域还可以表示为, 所以 (4); 解 由根据积分限可得积分区域, 如图. 因为积分区域还可以表示为, 所以 . (5); 解 由根据积分限可得积分区域D=(x, y)|1xe, 0yln x, 如图. 因为积分区域还可以表示为D=(x, y)|0y1, eyx

23、 e, 所以 (6)(其中a0) 解 由根据积分限可得积分区域, 如图. 因为积分区域还可以表示为 , 所以 . 7. 设平面薄片所占的闭区域D由直线x+y=2, y=x和x轴所围成, 它的面密度为m(x, y)=x2+y2, 求该薄片的质量. 解 如图, 该薄片的质量为 . 8. 计算由四个平面x=0, y=0, x=1, y=1所围成的柱体被平面z=0及2x+3y+z=6截得的立体的体积. 解 四个平面所围成的立体如图, 所求体积为 . 9. 求由平面x=0, y=0, x+y=1所围成的柱体被平面z=0及抛物面x2+y2=6-z截得的立体的体积. 解 立体在xOy面上的投影区域为D=(x

24、, y)|0x1, 0y1-x, 所求立体的体积为以曲面z=6-x2-y2为顶, 以区域D为底的曲顶柱体的体积, 即 . 10. 求由曲面z=x2+2y2及z=6-2x2-y2所围成的立体的体积. 解 由消去z, 得x2+2y2=6-2x2-y2, 即x2+y2=2, 故立体在xOy面上的投影区域为x2+y22, 因为积分区域关于x及y轴均对称, 并且被积函数关于x, y都是偶函数, 所以 . 11. 画出积分区域, 把积分表示为极坐标形式的二次积分, 其中积分区域D是: (1)(x, y)| x2+y2a2(a0); 解 积分区域D如图. 因为D=(r, q)|0q2p, 0ra, 所以 .

25、 (2)(x, y)|x2+y22x; 解 积分区域D如图. 因为, 所以 . (3)(x, y)| a2x2+y2b2, 其中0a0)所围成的闭区域; 解 因为积分区域可表示为D=(x, y)|ay3a, y-axy, 所以 . (4), 其中D是圆环形闭区域(x, y)| a2x2+y2b2. 解 在极坐标下D=(r, q)|0q2p, arb, 所以 . 16. 设平面薄片所占的闭区域D由螺线r=2q上一段弧()与直线所围成, 它的面密度为m(x, y)=x2+y2. 求这薄片的质量. 解 区域如图所示. 在极坐标下, 所以所求质量 . 17. 求由平面y=0, y=kx(k0), z=

26、0以及球心在原点、半径为R的上半球面所围成的在第一卦限内的立体的体积. 解 此立体在xOy面上的投影区域D=(x, y)|0qarctank, 0rR. . 18. 计算以xOy平面上圆域x2+y2=ax围成的闭区域为底, 而以曲面z=x2+y2为顶的曲顶柱体的体积. 解 曲顶柱体在xOy面上的投影区域为D=(x, y)|x2+y2ax. 在极坐标下, 所以 . 习题9-3 1. 化三重积分为三次积分, 其中积分区域W分别是: (1)由双曲抛物面xy=z及平面x+y-1=0, z=0所围成的闭区域; 解 积分区域可表示为 W=(x, y, z)| 0zxy, 0y1-x, 0x1, 于是 .

27、(2)由曲面z=x2+y2及平面z=1所围成的闭区域; 解 积分区域可表示为 , 于是 . (3)由曲面z=x2+2y2及z=2-x2所围成的闭区域; 解 曲积分区域可表示为 , 于是 . 提示: 曲面z=x2+2y2与z=2-x2的交线在xOy面上的投影曲线为x2+y2=1. (4)由曲面cz=xy(c0), , z=0所围成的在第一卦限内的闭区域. 解 曲积分区域可表示为 , 于是 . 提示: 区域W的上边界曲面为曲面cz=xy , 下边界曲面为平面z=0. 2. 设有一物体, 占有空间闭区域W=(x, y, z)|0x1, 0y1, 0z1, 在点(x, y, z)处的密度为r(x, y

28、, z)=x+y+z, 计算该物体的质量. 解 . 3. 如果三重积分的被积函数f(x, y, z)是三个函数f1(x)、f2(y)、f3(z)的乘积, 即f(x, y, z)= f1(x)f2(y)f3(z), 积分区域W=(x, y, z)|axb, cyd, lzm, 证明这个三重积分等于三个单积分的乘积, 即 . 证明 . 4. 计算, 其中W是由曲面z=xy, 与平面y=x, x=1和z=0所围成的闭区域. 解 积分区域可表示为 W=(x, y, z)| 0zxy, 0yx, 0x1, 于是 . 5. 计算, 其中W为平面x=0, y=0, z=0, x+y+z=1所围成的四面体.

29、解 积分区域可表示为 W=(x, y, z)| 0z1-x-y, 0y1-x, 0x1, 于是 . 提示: . 6. 计算, 其中W为球面x2+y2+z2=1及三个坐标面所围成的在第一卦限内的闭区域. 解 积分区域可表示为 于是 . 7. 计算, 其中W是由平面z=0, z=y, y=1以及抛物柱面y=x2所围成的闭区域. 解 积分区域可表示为 W=(x, y, z)| 0zy, x2y1, -1x1, 于是 . 8. 计算, 其中W是由锥面与平面z=h(R0, h0)所围成的闭区域. 解 当0zh时, 过(0, 0, z)作平行于xOy面的平面, 截得立体W的截面为圆Dz: , 故Dz的半径

30、为, 面积为, 于是 =. 9. 利用柱面坐标计算下列三重积分: (1), 其中W是由曲面及z=x2+y2所围成的闭区域; 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 0q2p, 0r1, , 于是 . (2), 其中W是由曲面x2+y2=2z及平面z=2所围成的闭区域. 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 0q2p, 0r2, , 于是 . 10. 利用球面坐标计算下列三重积分: (1), 其中W是由球面x2+y2+z2=1所围成的闭区域. 解 在球面坐标下积分区域W可表示为 0q2p, 0jp, 0r1, 于是 . (2), 其中闭区域W由不等式x2+y2+(z-a)2a2, x2+y2z2 所确

31、定. 解 在球面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . 11. 选用适当的坐标计算下列三重积分: (1), 其中W为柱面x2+y2=1及平面z=1, z=0, x=0, y=0所围成的在第一卦限内的闭区域; 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . 别解: 用直角坐标计算 . (2), 其中W是由球面x2+y2+z2=z所围成的闭区域; 解 在球面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . (3), 其中W是由曲面4z2=25(x2+y2)及平面z=5所围成的闭区域; 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . (4), 其中闭区域W由不等式, z0所确定. 解 在球面坐标下积分区域

32、W可表示为 , 于是 . 12. 利用三重积分计算下列由曲面所围成的立体的体积: (1)z=6-x2-y2及; 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 0q2 p, 0r2, rz6-r2, 于是 . (2)x2+y2+z2=2az(a0)及x2+y2=z2(含有z轴的部分); 解 在球面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . (3)及z=x2+y2; 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 0q2p, 0r1, r2zr, 于是 . (4)及x2+y2=4z . 解 在柱面坐标下积分区域W可表示为 , 于是 . 13. 球心在原点、半径为R的球体, 在其上任意一点的密度的大小与这点到球心的距离成正比, 求这球体的质量. 解 密度函数为. 在球面坐标下积分区域W可表示为 0q2p, 0jp, 0r