解答题解答题包括计算题、应用题和证明题.
1.

[解] 此题为用导数定义去求极限,关键在于把此极限构造为广义化的导数的定义式.

2. 已知f(x)是周期为5的连续函数,它在x=0的某邻域内满足关系式:
f(1+sinx)-3f(1-sinx)=8x+α(x),
其中α(x)是当x→0时比x高阶的无穷小,且f(x)在x=1处可导,求y=f(x)在点(6,f(6))处的切线方程.
[解] 求切线方程的关键是求斜率,因f(x)的周期为5,故在(6,f(6))处和点(1,f(1))处曲线有相同的斜率.根据已知条件求出f'(1).

则4f'(1)=8,f'(1)=2,由f(6)=f(1)=0,f'(6)=f'(1)=2,故所求切线方程为y=2(x-6).
3. 设

其中g(x)有二阶连续导数,且g(0)=1,g'(0)=-1,求f'(x),并讨论f'(x)在(-∞,+∞)内的连续性.
[解] 当x≠0时,f(x)可导,且

显然,当x≠0时,f'(x)连续.

又因

故f'(x)在x=0处连续,从而f'(x)在(-∞,+∞)内连续.
5. 设f(t)具有二阶导数,

[解] 令

则f(t)=4t
2,即f(x)=4x
2,f'(x)=8x,由函数概念得
f[f'(x)]=f(8x)=4·(8x)
2=256x
2,
{f[f(x)]}'=f'[f(x)]·f'(x)=8f(x)·8x=32x
2·8x=256x
2.
6.

[解] 两边取对数,得

两边同时对x求导,得

化简可得x+yy'=xy'-y,故

7. 设函数y=f(x)由参数方程

所确定,其中φ(t)具有二阶导数,且已知

证明:函数φ(t)满足方程

[证] 因为

由题设

故(1+t)φ"(t)-φ'(t)=3(1+t)
2,即

8.

9. 设y=sin
4x-cos
4x,求y
(n).
[解] 因y=(sin
2x+cos
2x)(sin
2x-cos
2x)=-cos2x,则

10. 设y=e
xsinx,求y
(n).
[解]

归纳可得

11.

[解] 当x≠0时,

当x=0时,

故对任意x∈(-∞,+∞),都有

又

比较系数,得

12.

[解] 方程两边同时对x求导,得

原等式中x换成

得

式②两边同时对x求导,得

③×2-0,得

13.

试确定常数a,b,c,使f(x)在x=0处连续且可导.
[解] 因为

又f(0)=1,所以

及c为任意值时,f(x)在x=0处连续.
又因为

令f'
-(0)=f'
+(0),可得

时,f'(0)存在.
因此当

时,f(x)在x=0处连续且可导.
14. 顶角为60°,底圆半径为a的正圆锥形漏斗内盛满水,下接底圆半径为b(b<a)的圆柱形水桶(假设水桶的体积大于漏斗的体积),水由漏斗注入水桶,问当漏斗水平面下降速度与水桶水平面上升速度相等时,漏斗中水平面高度是多少?
[解] 设在时刻t,漏斗中水平面的高度为h,水量为p,水桶中水平面的高度为H,水量为q(如图),则
因为这两部分水量的总和应为开始漏斗盛满水时的水量,所以

两边对t求导,得

因为下降的速度与上升的速度方向相反,所以

时漏斗水平面下降速度与水桶水平面上升速度相等.
15. 防空洞的截面拟建成矩形加半圆(如图),截面的面积为5平方米,问底宽x为多少时才能使建造时所用的边框材料最省?
[解] 设截面周长为S,矩形高为y,则

由式②解出

代入式①,得

故唯一极值可疑点为

由问题的实际意义知,截面周长必有最小值,并且就在此驻点处取得,因此当底宽x为

截面的周长最小,因而所用边框材料最省.
16. 试证明:曲线

恰有三个拐点,且位于同一条直线上.
[证]

于是可列表如下
所以

均为此曲线的拐点,又因

所以这三个拐点在一条直线上.
17. 求曲线

的斜渐近线.
[解] 当t→1,t→-1或t→∞时,都有x→∞.
当t→1时,

当t→-1时,

当t→∞时,

所以曲线

有三条斜渐近线,分别是

18. 求极坐标系下的曲线

的斜渐近线.
[解] 写为参数方程形式

当且仅当

时,才有x→∞,所以曲线至多有一条斜渐近线.由于

所以曲线有斜渐近线

19. 作函数

的图形.
[解] ①定义域为(-∞,0)∪(0,+∞),无周期性无奇偶性.
②

y'=0的根为

的根为x=-1.
③列表
由表可知函数的极小值点在

处取得,拐点为(-1,0).
④铅直渐近线:

无斜渐近线.
⑤作图(如图).
20. 求函数y=e
xcosx的极值.
[解]

极值可疑点

又y"=-2e
xsinx,当

时,y"<0,所以

为极大值点,极大值为

当

时,y">0,所以

为极小值点,极小值为

21. 设f(x)可导,证明:f(x)的两个零点之间一定有f(x)+f'(x)的零点.
[分析] f(x)的两个零点x1,x2(不妨设x1<x2)之间有f(x)+f'(x)的零点问题,相当于在(x1,x2)内有f(x)+f'(x)=0的点存在的问题.若能构造一个函数F(x),使F'(x)=[f(x)+f'(x)]φ(x),而φ(x)≠0,则问题可以得到解决由(ex)'=ex可以得到启发,令F(x)=f(x)ex.
[证] 构造辅助函数F(x)=f(x)ex,由于f(x)可导,故F(x)可导,设x1和x2为f(x)的两个零点,且x1<x2,则F(x)在[x1,x2]上满足罗尔定理条件,由罗尔定理,至少存在一点ξ∈(x1,x2),使得F'(ξ)=0,即f'(ξ)eξ+f(ξ)eξ=eξ[f'(ξ)+f(ξ)]=0.由于eξ≠0,因此必有f'(ξ)+f(ξ)=0.所以f(x)的两个零点之间一定有f(x)+f'(x)的零点.
设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且f(a)=f(b)=0,求证:22. 存在ξ∈(a,b),使f(ξ)+ξf'(ξ)=0;
[证] 设φ(x)=xf(x),则φ(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且φ(a)=φ(b)=0,由罗尔定理得,存在ξ∈(a,b),使φ'(ξ)=0,即f(ξ)+ξf'(ξ)=0.
23. 存在η∈(a,b),使ηf(η)+f'(η)=0.
[证] 设

则F(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且F(a)=F(b)=0,由罗尔定理得,存在n∈(a,b),使

24. 设函数f(x)在[-2,2]上二阶可导,且|f(x)|≤1,又f
2(0)+[f'(0)]
2=4.
试证:在(-2,2)内至少存在一点ξ,使得f(ξ)+f"(ξ)=0.
[证] 根据拉格朗日中值定理有f(0)-f(-2)=2f'(ξ
1),-2<ξ
1<0,
f(2)-f(0)=2f'(ξ
2),0<ξ
2<2.
由|f(x)|≤1知

令φ(x)=f
2(x)+[f'(x)]
2,则有φ(ξ
1)≤2,φ(ξ
2)≤2.
因为φ(x)在[ξ
1,ξ
2]上连续,且φ(0)=4,设φ(x)在[ξ
1,ξ
2]上的最大值在点ξ∈[ξ
1,ξ
2]

(-2,2)处取到,则φ(ξ)≥4,且φ在[ξ
1,ξ
2]上可导,由费马定理有φ'(ξ)=0,即
2f(ξ)·f'(ξ)+2f'(ξ)·f"(ξ)=0.
因为|f(x)|≤1,且φ(ξ)≥4,所以f'(ξ)≠0,于是有
f(ξ)+f"(ξ)=0,ξ∈(-2,2).
25. 设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续(a,b>0),在(a,b)内可导.
试证:在(a,b)内至少有一点ξ,使等式

成立.
[证] 令

F(x)与G(x)在区间[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且

满足柯西中值定理的三个条件.于是在(a,b)内至少有一点ξ,使得

26. 设f(x)在

上具有连续的二阶导数,且f'(0)=0.
证明:存在

使得

[证] 因f(x)和g(x)=cos2x在

上连续,在

内可导,且

故由柯西中值定理知,存在

使得

即

困f(x)在

上具有连续的二阶导数,故存在

使得

再由f'(0)=0知

由式①和式②知

取

式③可以写成

其中

27. 设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)上可导且f(a)≠f(b).
试证:存在η,ξ∈(a,b),使得

[证] 由拉格朗日中值定理知f(b)-f(a)=f'(η)(b-a),η∈(a,b),又由柯西中值定理知

所以

则

即

28. 求曲线y=e
x上的最大曲率及其曲率圆方程
[解] 由y'=e
x,y"=e
x得曲线y=e
x上任意点P(x,y)处的曲率

令

得唯一的驻点

当

为曲率K=K(x)的极大值点,亦是最大值点,且其最大曲率为

其中,当

且曲线y=e
x上具有最大曲率的点(x
0,y(x
0))处的曲率圆的曲率半径

则曲率圆的圆心(ξ,η)为

所以它的曲率圆方程为

29. 设一质点在单位时间内由点A从静止开始做直线运动至点B停止,A,B两点间距离为1,证明:该质点在(0,1)内总有某一时刻的加速度的绝对值不小于4.
[证] 设质点运动的距离y关于时间t的函数为y=y(t),0≤t≤1,则有
y(0)=0,y(1)=1,y'(0)=0,y'(1)=0.

在t=0与t=1处的一阶泰勒展开式分别为

若

则由上述①式得y"(ξ
1)≥4;若

由上述②式得y"(ξ
2)<-4.证毕.
30. 设f(x)在[a,b]上连续,a<x
1<x
2<…<x
n<b,试证:在(a,b)内存在ξ,使得

[解] 因为f(x)在[a,b]上连续,所以m≤f(x)≤M,其中m,M分别为f(x)在[a,b]上的最小值和最大值.则对于任意x∈[a,b]有

故

由介值定理可知存在ξ∈(a,b),使得

31. 设函数f(x)在[0,3]上连续,在(0,3)内可导,且f(0)+f(1)+f(2)=3,f(3)=1.试证:存在ξ∈(0,3),使f'(ξ)=0.
[证] 函数f(x)在[0,3]上连续,则f(x)在[0,2]上连续,那么其在[0,2]上必有最大值M和最小值m,于是

由介值定理知,至少存在一点η∈(0,2),使得

于是便有f(η)=1=f(3),满足罗尔定理条件,于是存在

使f'(ξ)=0.
设f(x),g(x)在[a,b]上二阶可导,g"(x)≠0,f(a)=f(b)=g(a)=g(b)=0,证明:32. 在(a,b)内,g(x)≠0;
[证] 反证法.设存在一点c∈(a,b),且g(c)=0.
由g(a)=g(c)=g(b)=0,g(x)在[a,c],[c,b]上分别运用罗尔定理可得g'(ξ1)=g'(ξ2)=0,其中ξ1∈(a,c),ξ2∈(c,b).对g'(x)在[ξ1,ξ2]上运用罗尔定理,可得g"(ξ3)=0,其中ξ3∈(ξ1,ξ2),与已知g"(x)≠0矛盾,故得证.
33. 在(a,b)内至少存在一点ξ,使

[证] 令F(x)=f(x)g'(x)-f'(x)g(x),则有F(a)=0,F(b)=0.F(x)在[a,b]上运用罗尔定理,可知存在

34. 设f(x),g(x)在[a,b]上二阶可导,且f(a)=f(b)=g(a)=0,证明:存在ξ∈(a,b),使f"(ξ)g(ξ)+2f'(ξ)g'(ξ)+f(ξ)g"(ξ)=0.
[证] 令F(x)=f(x)g(x),在x=a处利用泰勒公式展开,有

令x=b,代入式①,得

因f(a)=f(b)=g(a)=0,则F(a)=F(b)=0,且F'(a)=0,代入式②,得F"(ξ)=0,即
f"(ξ)g(ξ)+2f'(ξ)g'(ξ)+f(ξ)g"(ξ)=0.
35. 若x>-1,证明:当0<α<1时,有(1+x)
α≤1+αx;当α<0或α>1时,有(1+x)
α≥1+αx.
[证] 当x=0时,原不等式左边=1=右边,成立.当x≠0时,令f(x)=(1+x)
α则有f'(x)=α(1+x)
α-1,f"(x)=α(α-1)(1+x)
α-2,由f(x)的泰勒展开式

可知当x>-1,0<α<1时,α(α-1)<0,1+ξ>0,故

所以f(x)≤f(0)+f'(0)x,即
(1+x)
α≤1+αx.
同理可证当x>-1,α<0或α>1时,有(1+x)
α≥1+αx.