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docs: 添加数分Ⅱ历年卷解答与数分Ⅰ书评,修复普物 Ⅱ中格式错误 (#170)
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V1CeVersaa authored and 45gfg9 committed Mar 1, 2024
1 parent dd70443 commit e05a95f
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非常适合入门的一本书,可谓是做到了低起点高落点。张老写书行云流水,非常清晰,并且在多元微积分的部分有相较于教材更好的思路,非常值得一读,缺陷在于没有习题,但事实上其它习题集也完全足够。

4. ***《数学分析原理》菲赫金哥尔茨***(一套两本)或者***《微积分学教程》菲赫金哥尔茨***(一套三本)
4. ***《数学分析》 梅加强***

非常别致的一本书,里面有很多的高级内容(比如余面积公式,并且对微分形式进行了比较深入的讲解),课后习题质量非常棒,但是难度也不低(网上有前十章的参考答案)。它的亮点在于在很多地方有很精巧的安排,对某些定理的证明方式会和我们使用的教材不同。但是由于其推进的速度较快,在某些细节的讲解上可能稍有欠缺。

5. ***《数学分析原理》菲赫金哥尔茨***(一套两本)或者***《微积分学教程》菲赫金哥尔茨***(一套三本)

这两套书是典型的苏联式教材,容量都挺大的,两套书选择一套即可

- 微积分学教程例子较多,偏向于工科,适合考试
- 数学分析原理相对简略、抽象,并且在最后有泛函分析、调和分析的介绍,偏向于喜欢数学的同学

5. ***《数学分析中的问题和反例》高等教育出版社 汪林编写***
6. ***《数学分析中的问题和反例》高等教育出版社 汪林编写***

这本书与其说是教材不如说是综述,总结的主要是一些经典和特殊的反例,把相当一部分可能出现在试卷(尤其是小测)中的反例统合了起来。缺点是对于大一新生来说过于超前了一点,一大部分例子是对于数学分析 Ⅱ 的。

6. ***\*《吉米多维奇数学分析习题集》吉米多维奇编写***
7. ***\*《吉米多维奇数学分析习题集》吉米多维奇编写***

非常经典的书,如果真的时间非常充裕可以做这本书的习题。整整五大本的题目与解答,而且题目质量良莠不齐,很容易让人厌倦。我并不是特别推荐这套书,但出于其经典地位给他一个位子吧。

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## 历年回忆卷

- [(19 级)2020 春夏期末回忆卷](数学分析(甲)Ⅱ(H)2020春夏回忆卷.pdf)[解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2020春夏回忆卷解答.pdf)(存在已发现但尚未修正的错误,仅供参考)
- [(19 级)2020 春夏期末回忆卷](数学分析(甲)Ⅱ(H)2020春夏回忆卷.pdf)[解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2020春夏回忆卷解答.pdf)(存在已发现但尚未修正的错误,仅供参考)[重制版解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2020春夏回忆卷解答%20重制版.pdf)
- [(20 级)2021 春夏期末回忆卷](数学分析(甲)Ⅱ(H)2021春夏回忆卷.pdf)[解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2021春夏回忆卷解答.pdf)
- [(21 级)2022 春夏期末回忆卷](数学分析(甲)Ⅱ(H)2022春夏回忆卷.pdf)[解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2022春夏回忆卷解答.pdf)
- [(22 级)2023 春夏期末回忆卷](数学分析(甲)Ⅱ(H)2023春夏回忆卷.pdf)[解答](数学分析(甲)Ⅱ(H)2023春夏回忆卷解答.pdf)
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\documentclass[UTF8,14pt,normal]{ctexart}
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\usepackage{mismath} % \ds
\usepackage{amsfonts,amssymb}
\usepackage{geometry}
\usepackage{extarrows}

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\title{数学分析(甲)II(H)2020春夏期末\quad 重制版答案}
\author{V1CeVersa}
\date{\today}

\linespread{1.2}
\addtolength{\parskip}{.8em}

\begin{document}

\maketitle

\noindent{\heiti\textbf{一、}} 函数项级数、含参变量积分、广义积分

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
\(\ds \sum_{n=1}^{\infty}u_n(x)\)一致收敛,其和函数为\(S(x)\),对任意的\(\varepsilon>0\),存在仅与\(\varepsilon\)相关的正整数\(N(\varepsilon)\in\mathbb{N}\),使得当\(n>N(\varepsilon)\)时,有\[\left|\sum_{k=1}^{n}u_k(x)-S(x)\right|<\varepsilon.\]

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
\(\ds\int_{a}^{+\infty}f(x,y)\dd{y}\)\(I\)上一致收敛,则对任意的\(\varepsilon>0\),存在仅与\(\varepsilon\)相关的正实数\(A_0(\varepsilon)\in\mathbb{R}_{+}\),使得当\(A>A_0(\varepsilon)\)时,有\[\left|\int_{A}^{+\infty}f(x,y)\right|<\varepsilon.\]

\noindent{\heiti\textbf{二、}} 正项级数、方向导数

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
\(x\geqslant0\),我们证明不等式\(\sin x\geqslant x-\dfrac{1}{6}x^3\).

\(f(x)=\sin x-x +\dfrac{1}{6}x^3,\enspace x\geqslant0\)\(f'(x) = \cos x -1 +\dfrac{1}{2}x^2\)\(f''(x) = -\sin x+x\geqslant0\).

\(f'(x)\geqslant f'(0) = 0\)\(f(x)\geqslant f(0)= 0\),不等式得证.所以
\[\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^{2n\sin(1/n)}}\leqslant\sum_{n=1}^{\infty}n^{-2(\frac{1}{n}-\frac{1}{6n^3})} = \sum_{n=1}^{\infty}n^{-(2-\frac{1}{3n^2})}\leqslant\sum_{n=1}^{\infty}n^{-\frac{1}{n^{5/3}}}\]

根据比较判别法,此正项级数收敛.

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
\(r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\),则\(\ds \nabla u = \left(\pdv{u}{x},\pdv{u}{y},\pdv{u}{z}\right) = \left(\frac{x}{r},\frac{y}{r},\frac{z}{r}\right)\).

曲线在\(P_0\)点的方向向量为\(\ds \vec{l} = \eval{\left(x'(t),y'(t),z'(t)\right)}_{(1,2,3)} = (1,4,12)\),其单位向量为\(\vec{l}_0 = \dfrac{\vec{l}}{\lvert\vec{l}\rvert} = \dfrac{(1,4,12)}{\sqrt{161}}\).
那么\[\pdv{u}{\vec{l}} = \vec{l}_0\cdot\nabla u = \frac{45}{7\sqrt{46}}.\]

\clearpage
\noindent{\heiti\textbf{三、}} 重积分、曲线积分和曲面积分的计算

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
\begin{equation*}
\begin{split}
V &= \int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}}\dd{z}\iint\limits_{x^2+y^2\leqslant z^2}\dd{x}\dd{y}+\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^{1}\dd{z}\iint\limits_{x^2+y^2\leqslant 1-z^2}\dd{x}\dd{y}\\
&= \int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}}\pi z^2\dd{z}+\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^{1}\pi (1-z^2)\dd{z}\\
&= \frac{(2-\sqrt{2})}{3}\pi.
\end{split}
\end{equation*}

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
进行一个元的换:\(x=y=\dfrac{\sin\theta}{\sqrt{2}},z = \cos\theta,\theta\in[0,2\pi]\).

因而\[\dd{s} = \sqrt{2\left(\dfrac{\cos\theta}{\sqrt{2}}\right)^2+(-\sin \theta)^2}\dd{\theta} = \dd{\theta}.\]

所以
\begin{equation*}
\begin{split}
\oint\limits_{L}(x^2+y^2+z^2)\dd{s} &= \int_{0}^{2\pi}(\sin^2\theta+\cos\theta)\dd{\theta}\\
&= \int_{-\pi}^{\pi}(\sin^2\alpha-\cos\alpha)^2\dd{\alpha}\enspace(\theta = \pi+\alpha)\\
&= 2\int_{0}^{\pi}(\sin^2\alpha-\cos\alpha)^2\dd{\alpha}\\
&= 2\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}(\cos^2\beta+\sin\beta)^2\dd{\beta}\enspace(\alpha = \frac{\pi}{2}+\beta)\\
&= 2\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}(\cos^4\beta+\sin^2\beta+2\cos^2\beta\sin\beta)\dd{\beta}\\
&= 2\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}(\sin^4\beta-2\sin^3\beta-\sin^2\beta+2\sin\beta+1)\dd{\beta}\\
&= 4\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}(\sin^4\beta-\sin^2\beta+1)\dd{\beta} = \frac{7}{4}\pi.
\end{split}
\end{equation*}

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{3.}
进行一个孔的挖:设\(P=\dfrac{-y}{3x^2+4y^2},Q=\dfrac{x}{3x^2+4y^2}\),由于在任意非原点处,有\[\pdv{P}{y} = \frac{4y^2-3x^2}{(3x^2+4y^2)^2} = \pdv{Q}{x}.\]
我们在原点附近取一个非常小的椭圆曲线\(L'\colon 3x^2+4y^2 = \delta^2\)\(\delta\)充分小,使得\(L'\)完全包含在\(L\)内部,设\(L'\)\(L\)之间的区域为\(S\)\(L'\)包含的椭圆为\(S'\). 则由格林公式,有
\begin{equation*}
\begin{split}
\int\limits_{L}\frac{x\dd{y}-y\dd{x}}{3x^2+4y^2} &= \iint\limits_{S}\left(\pdv{Q}{x}-\pdv{P}{y}\right)\dd{x}\dd{y} +\int\limits_{L'}\frac{x\dd{y}-y\dd{x}}{3x^2+4y^2} \\
&= \frac{1}{\delta^2}\int\limits_{L'}x\dd{y}-y\dd{x}\\
&= \frac{1}{\delta^2}\iint\limits_{S'}(1+1)\dd{x}\dd{y}\\
&= \frac{1}{\delta^2}\pi\frac{\delta}{\sqrt{2}} \cdot \frac{\delta}{2} = \frac{\pi}{2\sqrt{3}}.
\end{split}
\end{equation*}

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{4.}
考虑椭球面的参数表示:\(x = \sin\varphi\cos\theta, y = 2\sin\varphi\sin\theta, z = 3\cos\varphi\),其中\(\varphi\in[0,\frac{\pi}{2}],\theta\in[0,2\pi]\).
计算可知\[\frac{\partial(x,y)}{\partial(\varphi,\theta)} = 2\sin\varphi\cos\varphi = \sin 2\varphi\geqslant0,\frac{\partial (y,z)}{\partial(\varphi,\theta)} = 6\sin^2\varphi\cos\theta.\]
由左式可知,参数\((\varphi,\theta)\)决定的法向量是外侧的,由第二类曲面积分的定义:
\begin{equation*}
\begin{split}
\iint\limits_{S}x^3\dd{y}\dd{z} &=\int\limits_{D_{\varphi\theta}}\sin^3\varphi\cos^3\theta\cdot 6\sin^2\varphi\cos\theta\dd{\varphi}\dd{\theta}\\
&= 6\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^5\varphi\dd{\varphi}\int_{0}^{2\pi}\cos^4\theta\dd{\theta} = \frac{12}{5}\pi.
\end{split}
\end{equation*}

\noindent{\heiti\textbf{四、}} 一元函数微分学

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
由于
\begin{equation*}
\begin{cases}
x-y = 1-z\\
x+y = 1-2z
\end{cases}
\implies
\begin{cases}
x = 1-\dfrac{3}{2}z\\[1.5ex]
y = -\dfrac{1}{2}z
\end{cases}
\end{equation*}
所以\[g(z) = f(x(z),y(z),z) = \dfrac{3}{2}\left(|z|+\left\lvert z-\dfrac{2}{3}\right\rvert\right)\geqslant\frac{3}{2}\left\lvert z-\left(z-\frac{2}{3}\right)\right\rvert = 1.\]
当且仅当\(z\in\left[0,\dfrac{2}{3}\right]\)时取等,所有极小值点为\(\ds \left(1-\frac{3}{2}z,-\frac{z}{2},z\right),z\in\left[0,\frac{2}{3}\right]\).

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
\(z=0\),有\(y = z = 0\),仅有\(x\)为非零项,则题目所求的极小值点为\((1,0,0)\).

\noindent{\heiti\textbf{五、}} 重积分

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
给出两种方法:

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{法一.}
因为\(f(x,1) = f(1,y) = 0\),所以\[f_x(x,1) = f_y(1,y) = 0.\]

并且由于被积函数\(xyf_{xy}(x,y)\)在区域\(D\)上连续,所以我们可以交换积分次序.
\begin{equation*}
\begin{split}
\iint\limits_{D}xyf_{xy}(x,y)\dd{x}\dd{y} &= \int_{0}^{1}x\dd{x}\int_{0}^{1}yf_{xy}(x,y)\dd{y}\\
&= \int_{0}^{1}x\dd{x}\int_{0}^{1}y\dd{f}_{x}(x,y)\\
&= \int_{0}^{1}x\dd{x}\left(\eval{yf_x(x,y)}_0^1-\int_{0}^{1}f_x(x,y)\dd{y}\right)\\
&= -\iint\limits_{D}xf_x(x,y)\dd{x}\dd{y}\\
&= -\int_{0}^{1}\dd{y}\int_{0}^{1}xf_x(x,y)\dd{x}\\
&= -\int_{0}^{1}\dd{y}\left(\eval{xf(x,y)}_0^1-\int_{0}^{1}f(x,y)\dd{x}\right)\\
&= \iint\limits_{D}f(x,y)\dd{x}\dd{y}.
\end{split}
\end{equation*}

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{法二.}
\(L\)为区域\(D = [0,1]\times[0,1]\)的边界曲线,直接计算曲线积分并利用Green公式得:
\[0 = \int\limits_{L}xyf_y(x,y)\dd{y}-xyf_x(x,y)\dd{x} = \iint\limits_{D}(yf_y(x,y)+xf_x(x,y)+2xyf_{xy}(x,y))\dd{x}\dd{y}.\]
所以\[\iint\limits_{D}xyf_{xy}(x,y)\dd{x}\dd{y} = \frac{1}{2}\iint\limits_{D}y(f_y(x,y)+xf_x(x,y))\dd{x}\dd{y}.\]
并且\[0 = \int_{L}xf(x,y)\dd{y}-yf(x,y)\dd{x} = \iint\limits_{D}(xf_x(x,y)+yf_y(x,y)+2f(x,y))\dd{x}\dd{y}\]
所以\[\iint\limits_{D}f(x,y)\dd{x}\dd{y} = \frac{1}{2}\iint\limits_{D}(yf_y(x,y)+xf_x(x,y))\dd{x}\dd{y} = \iint\limits_{D}xyf_{xy}(x,y)\dd{x}\dd{y}.\]

\noindent{\heiti\textbf{六、}}Fourier级数

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
\(u_0(x) = \dfrac{a_0}{2}\)\(u_n(x)=a_n\cos nx+b_n\sin nx\enspace (n=1,2,\ldots)\). 又由于\[|u_n(x)|=|a_n\cos nx+b_n\sin nx|\leqslant|a_n|+|b_n|\leqslant\frac{M}{n^3},\enspace n\geqslant 1.\]
所以\[\left\lvert\frac{a_0}{2}\right\rvert+\sum_{n=1}^\infty |u_n(x)|\leqslant\left\lvert\frac{a_0}{2}\right\rvert+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{M}{n^3}\]
通过比较判别法显然可以得出该三角级数绝对收敛,故而收敛. 并且,由Weierstrass判别法,其也是一致收敛的.

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
由上,该三角级数一致收敛于其和函数\(S(x) = \dfrac{a_0}{2}+\ds \sum_{n=1}^{\infty}(a_n\cos nx+b_n\sin nx)\),因而其可以逐项积分. 由三角函数族的正交性,重复Fourier系数的构造过程:
\begin{gather*}
\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\dd{x} = a_0 + \frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}a_k\int_{-\pi}^{\pi}\cos kx\dd{x}+\frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}b_k\int_{-\pi}^{\pi}\sin kx\dd{x};\\
\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos nx\dd{x} = \frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}a_k\int_{-\pi}^{\pi}\cos kx\cos nx\dd{x}+\frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}b_k\int_{-\pi}^{\pi}\sin kx\cos nx\dd{x} = a_n;\\
\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin nx\dd{x} = \frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}a_k\int_{-\pi}^{\pi}\cos kx\sin nx\dd{x}+\frac{1}{\pi}\sum_{n=1}^{\infty}b_k\int_{-\pi}^{\pi}\sin kx\sin nx\dd{x} = b_n.
\end{gather*}
即可得知其为Fourier级数.

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{3.}我们首先说明此三角级数可以逐项求导:由于本三角级数一致收敛,显然其点态收敛于其和函数;并且三角级数的每一项都连续可导;所以我们只用证明其逐项求导的级数一致收敛:由
\begin{equation*}
\begin{split}
\sum_{n=1}^{\infty}\left\lvert\dv{x}(a_n\cos nx+b_n\sin nx)\right\rvert &= \sum_{n=1}^{\infty}|n(-a_n\sin nx+b_n\cos nx)|\\
&\leqslant\sum_{n=1}^{\infty}n(|a_n|+|b_n|)\leqslant\sum_{n=1}^{\infty}\frac{M}{n^2}.
\end{split}
\end{equation*}
并根据Weierstrass判别法,其逐项求导的级数一致收敛. 这样此三角级数逐项可导,并且其导数为导数的级数,并且连续.

\clearpage
\noindent{\heiti\textbf{七、}} 隐函数定理

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
本题题干有误,应为:\(F(x,y)\)在带状区域\(x\in[a,b]\)存在连续一阶偏导,\(F_x(x,y)\)有正值下界,证明:在\((x_0,y_0)\)附近可以由\(F(x_0,y_0) = 0\)唯一确定一个隐函数\(y = f(x)\).

\noindent{\heiti\textbf{八、}} 函数项级数

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{1.}
\[f(x) = \cos(\dfrac{\pi}{2}x^{\frac{1}{n}}) - \dfrac{\pi}{n}(1-x), x\in\left[\frac{1}{2}, 1\right].\]
\(\sin x\geqslant \dfrac{2}{\pi}x\),对\(f(x)\)求导得\[f'(x) = \frac{\pi}{2n}\left(2-x^{\frac{1}{n}-1}\sin(\frac{\pi}{2}x^{\frac{1}{n}})\right)\geqslant\frac{\pi}{2n}\left(2-x^{\frac{1}{n}-1}\frac{2}{\pi}\cdot\frac{\pi}{2}x^{\frac{1}{n}}\right)\geqslant\frac{\pi}{2n}(2-(1/2)^{-1}) = 0.\]
所以\(f(x)\)\(\left[\dfrac{1}{2}, 1\right]\)上单调递增,且\(f(1) = 0\),所以\(f(x)\leqslant0\),即\[\cos(\frac{\pi}{2}x^{\frac{1}{n}})\leqslant\frac{\pi}{n}(1-x), x\in\left[\dfrac{1}{2}, 1\right].\]

\hangindent 2em
\hangafter=0
\noindent
\textbf{2.}
\[\cos(\frac{\pi}{2}x^{\frac{1}{n}})\frac{x^n}{n^2}\leqslant\frac{1}{n^2},x\in\left[\frac{1}{2},1\right].\]
且数项级数\(\ds \sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n^2}\)收敛,所以由Weierstrass判别法,原级数在\(\left[\dfrac{1}{2}, 1\right]\)上一致收敛.

\end{document}
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