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2025年全国硕士研究生入学考试数学一真题

一、选择题

一、选择题:1 ~ 10 小题,每小题 5 分,共 50 分。下列每题给出的四个选项中,只有一个选项是符合题目要求的。

  1. 已知函数 f(x)=0xet2sintdtf(x) = \int_0^x e^{t^2} \sin t\,dtg(x)=0xet2dtsin2xg(x) = \int_0^x e^{t^2} dt \cdot \sin^2 x,则

A. x=0x=0f(x)f(x) 的极值点,也是 g(x)g(x) 的极值点。

B. x=0x=0f(x)f(x) 的极值点,(0,0)(0,0) 是曲线 y=g(x)y=g(x) 的拐点。

C. x=0x=0f(x)f(x) 的极值点,(0,0)(0,0) 是曲线 y=f(x)y=f(x) 的拐点。

D. (0,0)(0,0) 是曲线 y=f(x)y=f(x) 的拐点,(0,0)(0,0) 也是曲线 y=g(x)y=g(x) 的拐点。

参考答案
极值点拐点导数积分积分上限函数

解题思路: 分别对 f(x)f(x)g(x)g(x) 求导,判断 x=0x=0 是否为极值点或拐点。

详细步骤

  1. f(x)=ex2sinxf'(x) = e^{x^2} \sin x
  2. f(x)=2xex2sinx+ex2cosxf''(x) = 2x e^{x^2} \sin x + e^{x^2} \cos x
  3. f(0)=0, f(0)=1>0f'(0) = 0,\ f''(0) = 1 > 0,所以 x=0x=0f(x)f(x) 的极值点。
  4. g(x)=0xet2dtsin2xg(x) = \int_0^x e^{t^2} dt \cdot \sin^2 x
  5. g(x)=ex2sin2x+sin2x0xet2dtg'(x) = e^{x^2} \sin^2 x + \sin 2x \int_0^x e^{t^2} dt
  6. g(x)=ex2sin2x+2xex2sin2x+sin2xex2+2cos2x0xet2dtg''(x) = e^{x^2} \sin 2x + 2x e^{x^2} \sin^2 x + \sin 2x e^{x^2} + 2\cos 2x \int_0^x e^{t^2} dt
  7. g(0)=0, g(0)=0, g(0)>0g'(0) = 0,\ g''(0) = 0,\ g'''(0) > 0,所以 (0,0)(0,0)y=g(x)y=g(x) 的拐点。

答案: B

  1. 已知级数:① n=1sinn3πn2+1\sum\limits_{n=1}^{\infty} \sin \dfrac{n^3\pi}{n^2+1} ;② n=1(1)n(1n23tan1n23)\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left( \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \right),则

A. ① 与 ② 均条件收敛。

B. ① 条件收敛,② 绝对收敛。

C. ① 绝对收敛,② 条件收敛。

D. ① 与 ② 均绝对收敛。

参考答案
级数收敛性绝对收敛条件收敛交错级数

解题思路: 分别判断两个级数的收敛性。

详细步骤

  1. sinn3πn2+1=sin(n3πn2+1nπ)=sin(nn2+1π)nn2+1π1n\left| \sin \dfrac{n^3\pi}{n^2+1} \right| = \left| \sin \left( \dfrac{n^3\pi}{n^2+1} - n\pi \right) \right| = \left| \sin \left( \dfrac{n}{n^2+1} \pi \right) \right| \sim \left| \dfrac{n}{n^2+1} \pi \right| \sim \dfrac{1}{n}
  2. n=11n\sum\limits_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n} 发散,∴ 不是绝对收敛。
  3. sinn3πn2+1=(1)nsin(n3πn2+1nπ)=(1)nsinnn2+1π\sin \dfrac{n^3\pi}{n^2+1} = (-1)^n \sin \left( \dfrac{n^3\pi}{n^2+1} - n\pi \right) = (-1)^n \sin \dfrac{n}{n^2+1} \pi,为交错级数。
  4. sinnn2+1π\sin \dfrac{n}{n^2+1} \pi 递减,∴ 条件收敛。
  5. n=1(1)n(1n23tan1n23)\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left( \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \right)
  6. (1)n(1n23tan1n23)=1n23tan1n23=13n2+o(1n2)\left| (-1)^n \left( \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \right) \right| = \left| \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \right| = \dfrac{1}{3n^2} + o\left( \dfrac{1}{n^2} \right)
  7. n=11n2\sum\limits_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^2} 收敛,∴n=1(1)n(1n23tan1n23)\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left( \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \right) 绝对收敛。

答案: B

3.设函数 f(x)f(x) 在区间 (0,+)(0,+\infty) 上可导,则

A.当 limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) 存在时,limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f'(x) 存在。

B.当 limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f'(x) 存在时,limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) 存在。

C.当 limx+0xf(t)dtx\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\int_0^x f(t)dt}{x} 存在时,limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) 存在。

D.当 limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) 存在时,limx+0xf(t)dtx\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\int_0^x f(t)dt}{x} 存在。

参考答案
极限导数积分洛必达法则

【答案】D

【解析】A 错误,反例:

f(x)=sinx2xf(x)=\dfrac{\sin x^2}{x}limx+f(x)=0\lim\limits_{x\to+\infty} f(x)=0,但 limx+f(x)=limx+2x2cosx2sinx2x2\lim\limits_{x\to+\infty} f'(x)=\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{2x^2\cos x^2-\sin x^2}{x^2},极限不存在。

B 错误,反例:f(x)=xf(x)=\sqrt{x}f(x)=12xf'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}limx+f(x)=0\lim\limits_{x\to+\infty} f'(x)=0,极限存在,但 limx+f(x)\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) 极限不存在。

C 错误,反例:

f(x)=cosxf(x)=\cos x,则 limx+0xf(t)dtx=limx+sinxx\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\int_0^x f(t)dt}{x}=\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\sin x}{x} 存在,但 limx+f(x)=limx+cosx\lim\limits_{x\to+\infty} f(x)=\lim\limits_{x\to+\infty} \cos x 不存在。

D 正确,用 limx+0xf(t)dtx=limx+f(x)1=A\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\int_0^x f(t)dt}{x}=\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{f(x)}{1}=A,故选 D。

4.设函数 f(x,y)f(x,y) 连续,则 22dx4x24f(x,y)dy=\int_{-2}^2 dx \int_{4-x^2}^4 f(x,y)dy=

A.04dy4y4yf(x,y)dx+20dx4x24f(x,y)dy\int_0^4 dy \int_{-\sqrt{4-y}}^{\sqrt{4-y}} f(x,y)dx + \int_{-2}^0 dx \int_{4-x^2}^4 f(x,y)dy

B.04[4y2f(x,y)dx+24yf(x,y)dx]dy\int_0^4 \left[ \int_{-\sqrt{4-y}}^2 f(x,y)dx + \int_2^{\sqrt{4-y}} f(x,y)dx \right]dy

C.04[4y2f(x,y)dx+4y2f(x,y)dx]dy\int_0^4 \left[ \int_{-\sqrt{4-y}}^2 f(x,y)dx + \int_{\sqrt{4-y}}^2 f(x,y)dx \right]dy

D.204dy4y2f(x,y)dx2\int_0^4 dy \int_{\sqrt{4-y}}^2 f(x,y)dx

参考答案
二重积分积分区域积分次序交换

【答案】A

【解析】由题易知,此二重积分积分区域为

D={(x,y)4x2y4,2x2}D=\{(x,y)|4-x^2\leq y\leq 4,-2\leq x\leq 2\}

D1={(x,y)4x2y4,2x0}D_1=\{(x,y)|4-x^2\leq y\leq 4,-2\leq x\leq 0\}D2={(x,y)4x2y4,0x2}D_2=\{(x,y)|4-x^2\leq y\leq 4,0\leq x\leq 2\},且

I=22dx4x24f(x,y)dyI=\int_{-2}^2 dx \int_{4-x^2}^4 f(x,y)dy,则 I=D1f(x,y)dσ+D2f(x,y)dσI=\iint_{D_1} f(x,y)d\sigma+\iint_{D_2} f(x,y)d\sigma,交换积分次序得

I=20dx4x24f(x,y)dy+04dy4y4yf(x,y)dxI=\int_{-2}^0 dx \int_{4-x^2}^4 f(x,y)dy+\int_0^4 dy \int_{-\sqrt{4-y}}^{\sqrt{4-y}} f(x,y)dx

=04dy4y4yf(x,y)dx+20dx4x24f(x,y)dy=\int_0^4 dy \int_{-\sqrt{4-y}}^{\sqrt{4-y}} f(x,y)dx+\int_{-2}^0 dx \int_{4-x^2}^4 f(x,y)dy

故 A 正确。

5.二次型 f(x1,x2,x3)=x12+2x1x2+2x1x3f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2+2x_1x_2+2x_1x_3 的正惯性指数

A.0。

B.1。

C.2。

D.3。

参考答案
二次型特征值正惯性指数矩阵

【答案】B

【解析】

A=(111100100)A=\begin{pmatrix}1 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0\end{pmatrix}

(λEA)=(λ1111λ010λ)(λ1110λλ10λ)(λ11101110λ)(\lambda E-A)=\begin{pmatrix}\lambda-1 & -1 & -1 \\ -1 & \lambda & 0 \\ -1 & 0 & \lambda\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}\lambda-1 & -1 & -1 \\ 0 & \lambda & -\lambda \\ -1 & 0 & \lambda\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}\lambda-1 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & -1 \\ -1 & 0 & \lambda\end{pmatrix}

=λ[λ(λ1)11]=\lambda[\lambda(\lambda-1)-1-1]

=λ(λ2λ2)=\lambda(\lambda^2-\lambda-2)

=λ(λ2)(λ+1)=\lambda(\lambda-2)(\lambda+1)

解得

λ1=0,λ2=2,λ3=1\lambda_1=0,\lambda_2=2,\lambda_3=-1

故正惯性指数为 1,选 B。

6.设 α1,α2,α3,α4\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4nn 维列向量,α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性无关,α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 线性相关,且 α1+α2+α4=0\alpha_1+\alpha_2+\alpha_4=0。在空间直角坐标系 OxyzO-xyz 中,关于 x,y,zx,y,z 的方程组 xα1+yα2+zα3=α4x\alpha_1+y\alpha_2+z\alpha_3=\alpha_4 的几何图形是

A.过原点的一个平面。

B.过原点的一条直线。

C.不过原点的一个平面。

D.不过原点的一条直线。

参考答案
线性代数向量线性相关矩阵秩几何图形

【答案】D

【解析】记 A=(α1,α2,α3)A=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3),由 α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性无关,α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 线性相关,可得 r(A)=2r(A)=2。记 A=(Aα4)=(α1,α2,α3,α4)\overline{A}=(A|\alpha_4)=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4),再由 α1+α2+α4=0\alpha_1+\alpha_2+\alpha_4=0,则 r(A)=2r(\overline{A})=2。于是 Ax=α4Ax=\alpha_4 有无穷多解。则 xα1+yα2+zα3=α4x\alpha_1+y\alpha_2+z\alpha_3=\alpha_4 等价于 (α1,α2,α3)(x,y,z)T=α4(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)\cdot(x,y,z)^T=\alpha_4,即 A(x,y,z)T=α4A\cdot(x,y,z)^T=\alpha_4

若过原点,则 α4=0\alpha_4=0α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性无关矛盾,故不过原点。

xα1+yα2+zα3=α4x\alpha_1+y\alpha_2+z\alpha_3=\alpha_4 等价于

{a11x+a12y+a13z=a14a21x+a22y+a23z=a24an1x+an2y+an3z=an4\begin{cases} a_{11}x+a_{12}y+a_{13}z=a_{14}\\ a_{21}x+a_{22}y+a_{23}z=a_{24}\\ \cdots\\ a_{n1}x+a_{n2}y+a_{n3}z=a_{n4} \end{cases}

由上述分析可知 r(A)=r(A)=2r(A)=r(\overline{A})=2,故两平面交于一条直线,且不过原点。故选 D。

7.设 nn 阶矩阵 A,B,CA,B,C 满足 r(A)+r(B)+r(C)=r(ABC)+2nr(A)+r(B)+r(C)=r(ABC)+2n,给出下列四个结论:

r(ABC)+n=r(AB)+r(C)r(ABC)+n=r(AB)+r(C)

r(AB)+n=r(A)+r(B)r(AB)+n=r(A)+r(B)

r(A)=r(B)=r(C)=nr(A)=r(B)=r(C)=n

r(AB)=r(BC)=nr(AB)=r(BC)=n

其中正确结论的序号是

A.①②。

B.①③。

C.②④。

D.③④。

参考答案
矩阵秩矩阵运算线性代数

【答案】A

【解析】A=(100000000),B=(001010100),C=EA=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix},B=\begin{pmatrix}0&0&1\\0&1&0\\1&0&0\end{pmatrix},C=E,满足 r(A)+r(B)+r(C)=r(ABC)+2nr(A)+r(B)+r(C)=r(ABC)+2n,则 r(A)=1,r(B)=1,r(C)=2r(A)=1,r(B)=1,r(C)=2,排除结论 ③④,故选 A。

8.设二维随机变量 (X,Y)(X,Y) 服从正态分布 N(0,0;1,1;ρ)N(0,0;1,1;\rho),其中 ρ(1,1)\rho\in(-1,1)。若 a,ba,b 为满足 a2+b2=1a^2+b^2=1 的任意实数, 则 D(aX+bY)D(aX+bY) 的最大值为

A.1。

B.2。

C.1+ρ1+|\rho|

D.1+ρ21+\rho^2

参考答案
概率论正态分布方差极值

【答案】C

【解析】

D(aX+bY)=a2DX+b2DY+2abρ11D(aX+bY)=a^2DX+b^2DY+2ab\rho\cdot1\cdot1

=a2+b2+2abρ=1+2abρ=1+2a1a2ρ=f(a)=a^2+b^2+2ab\rho=1+2ab\rho=1+2a\sqrt{1-a^2}\rho=f(a)

f(a)=ρ(21a2+2aa1a2)=2ρ(1a2a21a2)=0f'(a)=\rho\left(2\sqrt{1-a^2}+2a\cdot\frac{-a}{\sqrt{1-a^2}}\right)=2\rho\left(\sqrt{1-a^2}-\frac{a^2}{\sqrt{1-a^2}}\right)=0

2ρ1a2a21a2=02\rho\frac{1-a^2-a^2}{\sqrt{1-a^2}}=02a2=1a2=12,b2=122a^2=1\Rightarrow a^2=\frac{1}{2},b^2=\frac{1}{2},于是 a=±12,b=±12a=\pm\frac{1}{\sqrt{2}},b=\pm\frac{1}{\sqrt{2}}。所以最大值为 1+ρ1+|\rho|,故选 C。

9.设 X1,X2,,X20X_1,X_2,\cdots,X_{20} 是来自总体 B(1,0.1)B(1,0.1) 的简单随机样本。令 T=i=120XiT=\sum\limits_{i=1}^{20} X_i,利用泊松分布近似表示二项分布的方法可得 P{T1}P\{T\leq 1\}\approx

A.1e2\frac{1}{e^2}

B.2e2\frac{2}{e^2}

C.3e2\frac{3}{e^2}

D.4e2\frac{4}{e^2}

参考答案
概率论二项分布泊松分布概率计算

【答案】C

【解析】由题意可知 TB(20,0.1)T\sim B(20,0.1)np=20×0.1=2np=20\times0.1=2

P{T1}=P{T=0}+P{T=1}=200!e2+211!e2=e2+2e2=3e2P\{T\leq1\}=P\{T=0\}+P\{T=1\}=\frac{2^0}{0!}e^{-2}+\frac{2^1}{1!}e^{-2}=e^{-2}+2e^{-2}=3e^{-2}

故选 C。

10.设 X1,X2,,XnX_1,X_2,\cdots,X_n 为来自正态总体 N(μ,2)N(\mu,2) 的简单随机样本。记 X=1ni=1nXi\overline{X}=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n X_iZαZ_\alpha 表示标准正态分布的上侧 α\alpha 分位数。假设检验问题:H0:μ1, H1:μ>1H_0:\mu\leq1,\ H_1:\mu>1 的显著性水平为 α\alpha 的检验的拒绝域为

A.{(X1,X2,,Xn)X>1+2nZα}\left\{(X_1,X_2,\cdots,X_n)\mid \overline{X}>1+\frac{2}{n}Z_\alpha\right\}

B.{(X1,X2,,Xn)X>1+2nZα}\left\{(X_1,X_2,\cdots,X_n)\mid \overline{X}>1+\frac{\sqrt{2}}{n}Z_\alpha\right\}

C.{(X1,X2,,Xn)X>1+2nZα}\left\{(X_1,X_2,\cdots,X_n)\mid \overline{X}>1+\frac{2}{\sqrt{n}}Z_\alpha\right\}

D.{(X1,X2,,Xn)X>1+2nZα}\left\{(X_1,X_2,\cdots,X_n)\mid \overline{X}>1+\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{n}}Z_\alpha\right\}

参考答案
数理统计假设检验正态分布拒绝域

【答案】D

【解析】

Xμσ/n>zαX>2nzα+1\frac{\overline{X}-\mu}{\sigma/\sqrt{n}}>z_\alpha\Rightarrow \overline{X}>\sqrt{\frac{2}{n}}z_\alpha+1,故选 D。

二、填空题

二、填空题:11 ~ 16 小题,每小题 5 分,共 30 分。

11.limx0+xx1lnxln(1x)=\lim\limits_{x\to0^+} \dfrac{x^x-1}{\ln x\cdot\ln(1-x)}=____。

参考答案
极限洛必达法则对数函数

【答案】1-1

【解析】

limx0+exlnx1xlnx=limx0+xlnxxlnx=1\lim\limits_{x\to0^+} \dfrac{e^{x\ln x}-1}{-x\ln x}=\lim\limits_{x\to0^+} \dfrac{x\ln x}{-x\ln x}=-1

12.已知函数 f(x)={0,0x<12x2,12x1f(x)=\begin{cases}0, & 0\leq x<\dfrac{1}{2} \\ x^2, & \dfrac{1}{2}\leq x\leq1\end{cases} 的傅里叶级数为 n=1bnsinnπx\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n\sin n\pi xS(x)S(x)n=1bnsinnπx\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n\sin n\pi x 的和函数,则 S(72)=S\left(-\dfrac{7}{2}\right)=____。

参考答案
傅里叶级数和函数周期性

【答案】18\dfrac{1}{8}

【解析】

S(72)=S(72+4)=S(12)=18S\left(-\dfrac{7}{2}\right)=S\left(-\dfrac{7}{2}+4\right)=S\left(\dfrac{1}{2}\right)=\dfrac{1}{8}

13.已知函数 u(x,y,z)=xy2z3u(x,y,z)=xy^2z^3,向量 n=(2,2,1)\mathbf{n}=(2,2,-1),则 un(1,1,1)=\left.\dfrac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\right|_{(1,1,1)}=____。

参考答案
偏导数方向导数向量多元函数

【答案】1

【解析】

由题易知,ux=y2z3\dfrac{\partial u}{\partial x}=y^2z^3uy=2xyz3\dfrac{\partial u}{\partial y}=2xyz^3uz=3xy2z2\dfrac{\partial u}{\partial z}=3xy^2z^2

则在 x=1,y=1,z=1x=1,y=1,z=1 处有 (ux,uy,uz)=(1,2,3)\left(\dfrac{\partial u}{\partial x},\dfrac{\partial u}{\partial y},\dfrac{\partial u}{\partial z}\right)=(1,2,3)

对于向量 n=(2,2,1)\mathbf{n}=(2,2,-1),归一化可得 n0=(23,23,13)\vec{n}_0=\left(\dfrac{2}{3},\dfrac{2}{3},-\dfrac{1}{3}\right)

un(1,1,1)=(1,2,3)(23,23,13)=123+223+3(13)=1\left.\dfrac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\right|_{(1,1,1)}=(1,2,3)\cdot\left(\dfrac{2}{3},\dfrac{2}{3},-\dfrac{1}{3}\right)=1\cdot\dfrac{2}{3}+2\cdot\dfrac{2}{3}+3\cdot\left(-\dfrac{1}{3}\right)=1

14.已知有向曲线 LL 是抛物线 y=1x2y=1-x^2 从点 (1,0)(1,0) 到点 (1,0)(-1,0) 的一段,则曲线积分 L(y+cosx)dx+(2x+cosy)dy=\int_L (y+\cos x)dx+(2x+\cos y)dy=____。

参考答案
曲线积分格林公式二重积分三角函数

【答案】432sin1\dfrac{4}{3}-2\sin1

【解析】

由题易知可作曲线如右图所示。

L0L_0 是从 x=1x=-1x=1x=1 的直线,并记曲线积分 I=L(y+cosx)dx+(2x+cosy)dyI=\int_L (y+\cos x)dx+(2x+\cos y)dy

则在 L0L_0LL 所围的封闭区域可用格林公式

I1=L0+L(y+cosx)dx+(2x+cosy)dyI_1=\oint_{L_0+L} (y+\cos x)dx+(2x+\cos y)dy

=D1dσ=11dx01x2(1)dy=11(1x2)dx=43=\iint_D -1d\sigma=\int_{-1}^1 dx\int_0^{1-x^2}(-1)dy=\int_{-1}^1 (1-x^2)dx=\dfrac{4}{3}

I2=L0(y+cosx)dx+(2x+cosy)dy=11cosxdx=2sin1I_2=\int_{L_0} (y+\cos x)dx+(2x+\cos y)dy=\int_{-1}^1 \cos x dx=2\sin1

I=432sin1I=\dfrac{4}{3}-2\sin1

15.设矩阵 A=(423a34b57)A=\begin{pmatrix}4 & 2 & -3 \\ a & 3 & -4 \\ b & 5 & -7\end{pmatrix},若方程组 A2x=0A^2x=0Ax=0Ax=0 不同解,则 ab=a-b=____。

参考答案
矩阵行列式线性方程组矩阵秩

【答案】4-4

【解析】

由题知,A=(423a34b57)A=\begin{pmatrix}4 & 2 & -3 \\ a & 3 & -4 \\ b & 5 & -7\end{pmatrix},若 A2x=0A^2x=0Ax=0Ax=0 同解,则三秩相同,即 r(A)=r(A2)=r(AA2)r(A)=r(A^2)=r\begin{pmatrix}A \\ A^2\end{pmatrix}。如果 AA 可逆,三秩显然相同,则 A2x=0A^2x=0Ax=0Ax=0 同解,需 AA 不可逆,于是 A=0|A|=0。根据行列式的倍加性质易得

A=423a34b57=423a34b57=40112(ab)1112=4(2+1)(ab)(1)=4(1)+(ab)=(4)+(ab)|A|=\begin{vmatrix}4 & 2 & -3 \\ a & 3 & -4 \\ b & 5 & -7\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}4 & 2 & -3 \\ a & 3 & -4 \\ b & 5 & -7\end{vmatrix}=4\begin{vmatrix}0 & -1 \\ 1 & -2\end{vmatrix}-(a-b)\begin{vmatrix}1 & -1 \\ 1 & -2\end{vmatrix}=4(-2+1)-(a-b)\cdot(-1)=4(-1)+(a-b)=-(4)+(a-b)

A=0|A|=0,有 ab=4a-b=-4

16.设 A,BA,B 为两个随机事件,且 AABB 相互独立,已知 P(A)=2P(B),P(AB)=58P(A)=2P(B),P(A\cup B)=\dfrac{5}{8},则在事件 A,BA,B 至少有一个发生的条件下,A,BA,B 中恰有一个发生的概率为____。

参考答案
概率论条件概率事件独立性概率计算

【答案】45\dfrac{4}{5}

【解析】

P(AB)+P(AB)=P(A)P(AB)+P(B)P(AB)=P(A)+P(B)2P(A)P(B)P(\overline{A}B)+P(A\overline{B})=P(A)-P(AB)+P(B)-P(AB)=P(A)+P(B)-2P(A)P(B)

P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)=58P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(AB)=\dfrac{5}{8}3P(B)2P2(B)=58\Rightarrow 3P(B)-2P^2(B)=\dfrac{5}{8}

24P(B)16P2(B)=5,16P2(B)24P(B)+5=024P(B)-16P^2(B)=5,16P^2(B)-24P(B)+5=0

(4P(B)1)(4P(B)5)=0\Rightarrow (4P(B)-1)(4P(B)-5)=0

P(B)=14,P(A)=12P(B)=\dfrac{1}{4},P(A)=\dfrac{1}{2}

P(AB)+P(AB)=P(A)+P(B)2P(A)P(B)=12+142×12×14=12P(\overline{A}B)+P(A\overline{B})=P(A)+P(B)-2P(A)P(B)=\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}-2\times\dfrac{1}{2}\times\dfrac{1}{4}=\dfrac{1}{2}

P=P(AB)+P(AB)/P(AB)=12÷58=45P=P(\overline{A}B)+P(A\overline{B})\Big/ P(A\cup B)=\dfrac{1}{2}\div\dfrac{5}{8}=\dfrac{4}{5}

三、解答题

三、解答题:17 ~ 22 小题,共 70 分。解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤。

17.(本题满分 10 分)

计算 011(x+1)(x22x+2)dx\int_0^1 \dfrac{1}{(x+1)(x^2-2x+2)}dx

参考答案
积分有理函数积分部分分式分解反三角函数
  1. 解:

011(x+1)(x22x+2)dx=01(Ax+1+Bx+Cx22x+2)dx\int_0^1 \dfrac{1}{(x+1)(x^2-2x+2)}dx=\int_0^1 \left( \dfrac{A}{x+1}+\dfrac{Bx+C}{x^2-2x+2} \right)dx

=01(15(x+1)+13x+35x22x+2)dx=\int_0^1 \left( \dfrac{1}{5(x+1)}+\dfrac{-\frac{1}{3}x+\frac{3}{5}}{x^2-2x+2} \right)dx

=01(15(x+1)+13x+35x22x+2)dx=\int_0^1 \left( \dfrac{1}{5(x+1)}+\dfrac{-\frac{1}{3}x+\frac{3}{5}}{x^2-2x+2} \right)dx

=15ln1+x01110lnx22x+201+25arctan(x1)01=\left. \dfrac{1}{5}\ln|1+x| \right|_0^1 - \left. \dfrac{1}{10}\ln|x^2-2x+2| \right|_0^1 + \left. \dfrac{2}{5}\arctan(x-1) \right|_0^1

=310ln2+110π=\dfrac{3}{10}\ln2+\dfrac{1}{10}\pi

18.(本题满分 10 分)

已知函数 f(u)f(u) 在区间 (0,+)(0,+\infty) 内具有 2 阶导数,记 g(x,y)=f(xy)g(x,y)=f\left(\dfrac{x}{y}\right),若 g(x,y)g(x,y) 满足

x22gx2+xy2gxy+y22gy2=1,x^2\frac{\partial^2 g}{\partial x^2}+xy\frac{\partial^2 g}{\partial x\partial y}+y^2\frac{\partial^2 g}{\partial y^2}=1,

g(x,x)=1, gx(x,x)=2xg(x,x)=1,\ \left.\frac{\partial g}{\partial x}\right|_{(x,x)}=\frac{2}{x},求 f(u)f(u)

参考答案
偏微分方程多元函数复合函数求导微分方程

解:

u=xyu=\frac{x}{y},则 gx=f(u)1y\frac{\partial g}{\partial x}=f'(u)\frac{1}{y}gy=f(u)(xy2)\frac{\partial g}{\partial y}=f'(u)\left(-\frac{x}{y^2}\right)

g(x,x)=f(xx)=f(1)=1g(x,x)=f\left(\frac{x}{x}\right)=f(1)=1gx(x,x)=f(1)1x=2x\left.\frac{\partial g}{\partial x}\right|_{(x,x)}=f'(1)\frac{1}{x}=\frac{2}{x},故 f(1)=2f'(1)=2

2gx2=f(u)1y2\frac{\partial^2 g}{\partial x^2}=f''(u)\frac{1}{y^2}

2gxy=f(u)1y(xy2)+f(u)(1y2)=xy3f(u)1y2f(u)\frac{\partial^2 g}{\partial x\partial y}=f''(u)\frac{1}{y}\left(-\frac{x}{y^2}\right)+f'(u)\left(-\frac{1}{y^2}\right)=-\frac{x}{y^3}f''(u)-\frac{1}{y^2}f'(u)

2gy2=f(u)(xy2)(xy2)+f(u)(2xy3)=x2y4f(u)+2xy3f(u)\frac{\partial^2 g}{\partial y^2}=f''(u)\left(-\frac{x}{y^2}\right)\left(-\frac{x}{y^2}\right)+f'(u)\left(\frac{2x}{y^3}\right)=\frac{x^2}{y^4}f''(u)+\frac{2x}{y^3}f'(u)

将上述代入原方程,化简得:

u2f(u)+uf(u)+1u2f(u)=1u2u^2f''(u)+uf'(u)+\frac{1}{u^2}f'(u)=\frac{1}{u^2}

p=f(u)p'=f'(u),则 u2p+up+1u2p=1u2u^2p''+up'+\frac{1}{u^2}p' = \frac{1}{u^2}

解得 p=lnuu+2up=\frac{\ln u}{u}+\frac{2}{u}

因此 f(u)=lnuu+2uf'(u)=\frac{\ln u}{u}+\frac{2}{u},积分得 f(u)=(lnuu+2u)du=12ln2u+2lnu+Cf(u)=\int\left(\frac{\ln u}{u}+\frac{2}{u}\right)du=\frac{1}{2}\ln^2 u+2\ln u+C

f(1)=C=1f(1)=C=1,故 f(u)=12ln2u+2lnu+1f(u)=\frac{1}{2}\ln^2 u+2\ln u+1

19.(本题满分 10 分)

设函数 f(x)f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内可导。证明导函数 f(x)f'(x)(a,b)(a,b) 内严格单调增加的充分必要条件是:对 (a,b)(a,b) 内任意的 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3,当 x1<x2<x3x_1<x_2<x_3

f(x2)f(x1)x2x1<f(x3)f(x1)x3x1<f(x3)f(x2)x3x2\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}
参考答案
导数单调性拉格朗日中值定理充要条件证明

解:

充分性:若对 (a,b)(a,b) 内任意的 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3,当 x1<x2<x3x_1<x_2<x_3 时,都有

f(x2)f(x1)x2x1<f(x3)f(x1)x3x1<f(x3)f(x2)x3x2\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}

则在 (a,b)(a,b) 内取任意的 x1<x2<x3<x4<x5x_1<x_2<x_3<x_4<x_5,有

f(x2)f(x1)x2x1<f(x3)f(x2)x3x2<f(x4)f(x3)x4x3<f(x5)f(x4)x5x4\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}<\frac{f(x_4)-f(x_3)}{x_4-x_3}<\frac{f(x_5)-f(x_4)}{x_5-x_4}

f(x2)f(x1)x2x1<f(x3)f(x2)x3x2\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2} 两边同时令 x2x1+x_2\to x_1^+,得

f+(x1)f(x3)f(x1)x3x1f'_+(x_1)\leq\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}

两边同时令 x2x3x_2\to x_3^-,得

f(x3)f(x1)x3x1f(x3)\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}\leq f'_-(x_3)

f+(x1)f(x3)f(x1)x3x1f(x3)f'_+(x_1)\leq\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}\leq f'_-(x_3)

同理可得 f+(x3)f(x5)f'_+(x_3)\leq f'_-(x_5)。因为

f(x3)f(x1)x3x1<f(x5)f(x3)x5x3\frac{f(x_3)-f(x_1)}{x_3-x_1}<\frac{f(x_5)-f(x_3)}{x_5-x_3}

所以 f+(x1)f(x5)f'_+(x_1)\leq f'_-(x_5)。由 x1,x5x_1,x_5 的任意性, 可得 f(x)f'(x)(a,b)(a,b) 内严格单调递增,充分性得证。

再证必要性,即已知 f(x)f'(x) 单调递增,在 [x1,x2],[x2,x3][x_1,x_2],[x_2,x_3] 上分别使用拉格朗日中值定理,知存在 ξ1(x1,x2),ξ2(x2,x3)\xi_1\in(x_1,x_2),\xi_2\in(x_2,x_3) 使

f(ξ1)=f(x2)f(x1)x2x1,f(ξ2)=f(x3)f(x2)x3x2f'(\xi_1)=\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1},\quad f'(\xi_2)=\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}

又由 f(x)f'(x) 单调递增, 由 ξ1<ξ2\xi_1<\xi_2f(ξ1)<f(ξ2)f'(\xi_1)<f'(\xi_2),即

f(x2)f(x1)x2x1<f(x3)f(x2)x3x2\frac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}<\frac{f(x_3)-f(x_2)}{x_3-x_2}

必要性得证。

综上所述,充要条件得证。

20.(本题满分 10 分)

Σ\Sigma 是由直线 {x=0,y=0\begin{cases}x=0,\\y=0\end{cases} 绕直线 {y=t,z=t\begin{cases}y=t,\\z=t\end{cases}tt为参数)旋转一周得到的曲面,Σ1\Sigma_1Σ\Sigma 介于平面 x+y+z=0x+y+z=0 与平面 x+y+z=1x+y+z=1 之间部分的外侧,计算曲面侧面积

I=Σ1xdydz+(y+1)dzdx+(z+2)dxdyI=\iint_{\Sigma_1} x\,dy\,dz+(y+1)dz\,dx+(z+2)dx\,dy
参考答案
曲面积分高斯公式旋转曲面三重积分

解:

由题意可知直线 {x=t,y=0,z=t\begin{cases}x=t,\\y=0,\\z=t\end{cases} 记为 l1l_1{x=t,y=t,z=t\begin{cases}x=t,\\y=t,\\z=t\end{cases} 记为 l2l_2,则直线 l1l_1 绕直线 l2l_2 旋转所得曲面 Σ\Sigma(xt)2+(yt)2+(zt)2=3t2(x-t)^2+(y-t)^2+(z-t)^2=3t^2

已知 Σ1\Sigma_1Σ\Sigma 介于平面 x+y+z=0x+y+z=0x+y+z=1x+y+z=1 之间的外侧,则补面 Σ0:x+y+z=1\Sigma_0:x+y+z=1,方向指向外侧。则 Σ0\Sigma_0Σ1\Sigma_1 所围为封闭区域,则由高斯公式可知

I1=Σ0+Σ1xdydz+(y+1)dzdx+(z+2)dxdy=Ω(1+1+1)dv=3Ωdv=313(22)224πI_1=\iint_{\Sigma_0+\Sigma_1} x\,dy\,dz+(y+1)dz\,dx+(z+2)dx\,dy=\iiint_{\Omega}(1+1+1)dv=3\iiint_{\Omega}dv=3\cdot\frac{1}{3}\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)^2\frac{\sqrt{2}}{4}\pi

(注:Ω\Omega 为圆锥体)。

DxyD_{xy}Σ0\Sigma_0xoyxoy 面上的投影,Dxy={(x,y)0x+y1,x0,y0}D_{xy}=\{(x,y)|0\leq x+y\leq 1,x\geq 0,y\geq 0\}

I2=Σ0xdydz+(y+1)dzdx+(z+2)dxdy=Dxyxdydz+(y+1)dzdx+(3xy)dxdyI_2=\iint_{\Sigma_0} x\,dy\,dz+(y+1)dz\,dx+(z+2)dx\,dy=\iint_{D_{xy}} x\,dy\,dz+(y+1)dz\,dx+(3-x-y)dx\,dy

=Dxy2dxdy=21211=1=\iint_{D_{xy}} 2dxdy=2\cdot\frac{1}{2}\cdot1\cdot1=1

I=I1I2=24π1I=I_1-I_2=\frac{\sqrt{2}}{4}\pi-1

21.(本题满分 10 分)

设矩阵 A=(01210211a)A=\begin{pmatrix}0 & -1 & 2 \\ -1 & 0 & 2 \\ -1 & -1 & a\end{pmatrix},已知 1 是AA的特征多项式的重根。

(1) 求aa的值;

(2) 求所有满足 Aα=α+β,A2α=α+2βA\alpha=\alpha+\beta, A^2\alpha=\alpha+2\beta 的非零列向量 α,β\alpha,\beta

参考答案
矩阵特征值特征多项式线性代数

解:

(1) f(λ)=AλE=(1λ)[(λa)(λ+1)+4]f(\lambda)=|A-\lambda E|=(1-\lambda)[(\lambda-a)(\lambda+1)+4]

可得(1a)(1+1)+4=0, a=3(1-a)(1+1)+4=0,\ a=3

(2) 由(1)可知 A=(012102113)A=\begin{pmatrix}0 & -1 & 2 \\ -1 & 0 & 2 \\ -1 & -1 & 3\end{pmatrix}AλE=0|A-\lambda E|=0,得AAλ1=λ2=λ3=1\lambda_1=\lambda_2=\lambda_3=1

Aα=α+β,A2α=α+2β(AE)α=β,(A2E)α=2β=2(AE)αA\alpha=\alpha+\beta, A^2\alpha=\alpha+2\beta\Rightarrow (A-E)\alpha=\beta, (A^2-E)\alpha=2\beta=2(A-E)\alpha

(AE)2α=0(A-E)^2\alpha=0,其中(AE)20(A-E)^2\ne0,故α\alpha为任意的非零向量,α=(a1,a2,a3)T,a1a2a30\alpha=(a_1,a_2,a_3)^T, a_1a_2a_3\ne0

β=(AE)α=(112112112)(a1a2a3)=(2a3a1a22a3a1a22a3a1a2)\beta=(A-E)\alpha=\begin{pmatrix}-1 & -1 & 2 \\ -1 & -1 & 2 \\ -1 & -1 & 2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}a_1\\a_2\\a_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2a_3-a_1-a_2\\2a_3-a_1-a_2\\2a_3-a_1-a_2\end{pmatrix}

其中a1+a22a3a_1+a_2\ne2a_3

综上α=(a1a2a3),β=(2a3a1a22a3a1a22a3a1a2),(a1a2a30,a1+a22a3)\alpha=\begin{pmatrix}a_1\\a_2\\a_3\end{pmatrix},\beta=\begin{pmatrix}2a_3-a_1-a_2\\2a_3-a_1-a_2\\2a_3-a_1-a_2\end{pmatrix},(a_1a_2a_3\ne0,a_1+a_2\ne2a_3)

22.(本题满分 12 分)

投保人的损失事件发生时,保险公司的赔付额 YY 与投保人的损失额 XX 的关系为

Y={0,X100,x100,X>100Y=\begin{cases}0, & X\leq 100,\\x-100, & X>100\end{cases}

设定损失事件发生时,投保人的损失额 XX 的概率密度为

f(x)={2×1002(100+x)3,x>0,0,x0f(x)=\begin{cases}\dfrac{2\times 100^2}{(100+x)^3}, & x>0,\\0, & x\leq 0\end{cases}

(1)求 P{Y>0}P\{Y>0\}EYEY

(2)这种损失事件在一年内发生的次数记为 NN,保险公司在一年内就这种损失事件产生的理赔次数记为 MM,假设 NN 服从参数为 8 的泊松分布,在 N=n (n1)N=n\ (n\geq1) 的条件下,MM 服从二项分布 B(n,p)B(n,p),其中 p=P{Y>0}p=P\{Y>0\},求 MM 的概率分布。

参考答案
概率论概率密度期望泊松分布二项分布条件概率

解:

(1)

P{Y>0}=P{X100>0}=P{X>100}=100+2×1002(100+x)3dx=14P\{Y>0\}=P\{X-100>0\}=P\{X>100\}=\int_{100}^{+\infty}\dfrac{2\times 100^2}{(100+x)^3}dx=\dfrac{1}{4}EY=100+(x100)2×1002(100+x)3dx=50EY=\int_{100}^{+\infty}(x-100)\dfrac{2\times 100^2}{(100+x)^3}dx=50

(2)

NP(8), {MN=n}B(n,14)N\sim P(8),\ \{M|N=n\}\sim B\left(n,\dfrac{1}{4}\right)P{M=m}=n=mP{N=n}P{M=mN=n}P\{M=m\}=\sum_{n=m}^{\infty}P\{N=n\}\cdot P\{M=m|N=n\}=n=m8nn!e8Cnm(14)m(34)nm=\sum_{n=m}^{\infty}\dfrac{8^n}{n!}e^{-8}\cdot C_n^m\left(\dfrac{1}{4}\right)^m\left(\dfrac{3}{4}\right)^{n-m}=n=m8nm!(nm)!e8(14)m(34)nm=\sum_{n=m}^{\infty}\dfrac{8^n}{m!(n-m)!}e^{-8}\left(\dfrac{1}{4}\right)^m\left(\dfrac{3}{4}\right)^{n-m}=14me88mm!n=m(6)nm(nm)!=\dfrac{1}{4^m}e^{-8}\dfrac{8^m}{m!}\sum_{n=m}^{\infty}\dfrac{(6)^{n-m}}{(n-m)!}=14me88mm!e6=2mm!e2=\dfrac{1}{4^m}e^{-8}\dfrac{8^m}{m!}e^6=\dfrac{2^m}{m!}e^{-2}

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