前言
本書第1版自2010年出版發行以來受到廣大高校師生的關注和熱評,收到了輔導教師和參賽學生的大量反饋信息,對本書提出了寶貴的建議,這些建議大多在新版中得到體現。新版在保持兩部分(要點、例題、習題;習題解答)的格局下,主要的變化體現在兩個方面:一是章節的變化,二是題目的變化。
根據輔導教師的建議,為了與課堂教學結合得更密切些,在新版中將原版共5章的內容改為7章,即將原來的“微分學”一章分為“一元函式微分學”和“多元函式微分學”兩章,“積分學”一章分為“不定積分與定積分”和“多元函式積分學”兩章。另外,安排了“4.1函式與圖形”,此節的主要內容是解析幾何,如“默比烏斯帶的參數方程”等。據此給出了更多微積分方法在幾何學中套用的案例,例如“曲線簇的包絡線”、“咕嚕金定理”等。
在新版中,題目的選擇仍然堅持以數學競賽培訓為主導的思想,因此保留了原版中的很多基本題,也刪除了一些過於煩瑣和枯燥的題目,同時增加了一些題目。新版中題目的數量由原版的700多道題增加到1200多道題。所選習題的難易程度差異較大,以適合不同層次的學生對數學競賽或考研輔導的需求,其中經典的基本題約占二分之一,而難度較大的題都標以“*”號。在每一節中,對習題按照題目的類型或者題目的求解方法等以標題的形式做了詳細的分類,以幫助讀者歸納和查找,也使該書的內容更為系統化。在每節習題後給出非證明題目的答案。新版中還收集了自2009年至2015年全國預賽、決賽(非數學)和北京市競賽的全部試卷,並在各類賽題後給出答案與提示,為讀者提供了寶貴的參考資料。為適合“非數學專業”學生的特點,在習題解答部分,避免使用諸如“εδ”、“一致連續”、“一致收斂”等“專業”化的數學方法,使得解題更具技巧性。新版中為一些題目配上了圖形(全書共140多張圖),以加強直觀的幾何感受,幫助讀者理解。
本書涵蓋的題目類型廣泛,近年數學競賽中的很多題目都可在本書中找到其蹤影。為滿足高層次學生對數學夢的追求,新版中增加了很多有特色的題目。這些題目本身或解題的技巧性都很有吸引力,如“公路占地原理”、“彎管的啟示”、“旋轉液面的形狀”等題目。一些歷史名題也被列入新版之中,如“等周問題”、“圓周率是無理數”等。它們經過作者的改寫,使得“非數學專業”的學生也能夠讀懂,並給出了相應題目的歷史概述。一些純數學問題在本書中做了套用化處理,以強調數學建模的重要意義,如“一刀二餅問題”、“公路隔離欄原理”、“陳家全的百米世界紀錄”等,這樣的題目也可以作為數學建模的教學案例。
有特色的題大都被命名並按節開列在目錄中,如“用施篤茲定理求極限”、“線性微分方程特解的運算元解法”、“將地球變為黑洞”等,以提高讀者對它們的關注度,並且便於讀者查找。
教師在輔導的過程中,應注意多講基本題。具有代表性的基本題大都被編排在例題之中。很多基本題儘管也有一定的難度,但教師講授的重點則應放在解題的基本方法和思路上。例如“微分中值等式”問題,新版中給出了構造輔助函式的一般性方法,教師只需把這個方法講明白,此類習題可由學生自己完成。
特別是積分套用中的各種微元法,其基本思想分別在各個積分章節的“內容要點”和題目的評註中都做了闡述,講授時要做到融會貫通。從歷年的競賽試卷評閱來看,微積分的複雜演算是眾多參賽學生的弱項,許多題目參賽者會做,但由於計算的基本功不過關而做錯。教師應在競賽的培訓中注意對學生演算能力、耐心和技巧的培養。本書中提供了大量的演算技巧和簡算方法,這也是在培訓中需加以強調和同學在學習過程中需要注意之處。因為本書配有詳細的習題解答,很適合學生自學之用。同時,為了避免讀者急於對答案而翻閱解答部分,特將答案列於各節的習題之後。
對於經濟和管理類的學生,不需講解“5.2曲線積分與曲面積分”的內容,其他內容皆適用。
新版書的編寫受到了很多高校教師的關心和幫助,他們是:北京郵電大學的孫洪祥,中國地質大學(北京)的李志剛、邢永麗,北京科技大學的李衛東等,在此表示感謝。也感謝曾慶黎、李少琪、趙麗娟、龍雲峰等老師為本書所付出的辛勞。特別是一個網名為“林海雪原”的學生,不但指出了原版中某個習題解法的不妥之處,還給出了自己的解題方法。在修訂的新版中這道題就採用了“林海雪原”的解法(2.3節題31)。
大學生數學競賽是促進大學數學教育,培養學生創新能力的重要方式。期望本書成為廣大參賽學生和數學愛好者的有益讀物,書中的很多習題也可以用於其他數學教學之中。此書還有很多不足之處,懇請讀者批評指正。
目錄
第1部分內容要點、例題、習題
第1章一元函式的極限與連續
1.1極限
1.1.1內容要點
1.1.2例題選講
1.1.3習題彙編
內容分類
一般數列的極限
遞推與疊代數列的極限
數列的收斂速度
數列極限的其他問題
函式極限
特色題
數列極限的平均值例2
數列xn+1=c+xn的極限例3
用比值法或根值法求數列極限例5
lnαx,xβ,eγx趨於無窮大速度的比較例7
用施篤茲定理求數列極限題3
用夾逼準則求數列極限題4
方程tanx=x相鄰根差的數列極限題5
用單調有界原理求數列極限題22
數列的收斂速度題29,30,31
數列sinnθ的收斂性題33
方程ex+x2n+1=0根的數列極限題38
交叉疊代的數列極限題39,40
空間中4個點交叉疊代的點列極限題41
冪指型極限的等價無窮小代換題45
用微分中值定理求極限題46
函式(ax1+ax2+…+axn)/n1/x的極限題47
x→0+時函式xxxx的極限題48
1.2一元函式的連續性
1.2.1內容要點
1.2.2例題選講
1.2.3習題彙編
內容分類
介值定理、零點定理與連續性
函式方程與連續性
連續函式的套用題
特色題
2x的函式方程例1
橢圓的外切正方形例2
多項式的實零點與最值例3
連續性與不動點例4,題5,6
最大、最小函式的連續性題7
地球的同溫點題13
陳家全的百米世界紀錄題14
方桌的平穩擺放題16
“一刀二餅”問題題18
第2章一元函式微分學
2.1導數與微分
2.1.1內容要點
2.1.2例題選講
2.1.3習題彙編
內容分類
求導法
曲線的切線與法線
高階導數
導函式的性質
特色題
用遞推公式求高階導數例3,題21
導函式的極限定理例6
分段函式的導函式及其連續性例7
導函式的介值定理例8
函式行列式的導數題8,9
相關變化率題10,11
反函式的二三階導數題22
導數不為零的函式是單調函式題25
導函式沒有第一類間斷點題26
重根與導函式題30
其他特色題題2,18(2),20
2.2微分中值定理與導數的套用
2.2.1內容要點
2.2.2例題選講
2.2.3習題彙編
內容分類
微分中值等式
泰勒公式與不等式
函式的單調性與不等式
函式的凹凸性與不等式
函式的極值與最值
特色題
微分中值等式問題的一般性解法例2,題1~13
函式展開為泰勒公式的三種基本方法例4
用泰勒公式求極限例5,題23
泰勒公式與不等式例6,7
極值的高階導數判別法例11
關於嚴格凹(凸)不等式例13
無窮區間上的羅爾定理題14,15,16
函式行列式的中值等式題17
多微分中值等式題18~21
若爾當不等式2θπ≤sinθ≤θ題37
反函式的凹凸性題42
平均值不等式題48
柯西不等式題49
凹凸函式的最值題54
數列{nn}的最大項題56
函式∑ni=1|x-ai|的最小值題57
伯努利不等式(1+x)α≥1+αx題59
其他特色題題39,40,41,45,47,62
2.3一元微分學綜合題
內容分類
函式方程與恆等式
中值定理與方程的根
特色題
方程2x=x2+1僅有三個實根題15
多項式[(x2-1)n](n)的實零點分布題20
多項式x3+bx+c實零點的個數題27
函式1+x+…+xn/n!的實零點題32
e是無理數題37
數列{nsin(2πen!)}的極限題44
泰勒公式的中值極限題45
最大熵原理題49
公路上的選址問題與重心法題50
其他特色題題2,5,13,19,22,25,31,36,40
第3章不定積分與定積分
3.1不定積分
3.1.1內容要點
3.1.2例題選講
3.1.3習題彙編
內容分類
有理函式的積分
三角函式有理式的積分
無理函式的積分
某些超越函式的積分
特色題
有理函式積分的五個常見類型例1
三角函式有理式積分的常用換元法例2
函式系{Pn(x)eλx}對原函式的封閉性例8
非常規分解的有理函式的積分題2
∫tannxdx與∫sinnxdx的遞推公式題4
∫cosmxsinnxdx的遞推公式題6
用倒代換計算的積分題8
∫eaxcosbxdx和∫eaxsinbxdx的積分題14
函式系{Pn(x)eaxcosbx+Qn(x)eaxsinbx}對原函式的封閉性題16
分段函式的原函式題19
3.2定積分
3.2.1內容要點
3.2.2例題選講
3.2.3習題彙編
內容分類
定積分與廣義積分的計算
積分等式及變限積分
定積分的套用題
特色題
某些定積分的簡算例2,題1
連線兩點的最短路徑是線段例4
求變項和的極限例5,題10,11
定積分與微元法例6
圖形繞斜軸的旋轉體體積例7,題21
正交函式系題6,7
柱殼法求旋轉體體積題20
橢圓外等距線的長度題24
其他特色題例3,題3,8(3,4),9,12,14,16,28
3.3定積分綜合題
內容分類
積分不等式
積分極限
特色題
關於積分的柯西不等式題3
凹凸形函式的積分不等式與等式題11
積分極限limn→∞n∫ba[f(x)]ndx題16
積分極限limx→+∞∫x0|sint|dt/x題20
原函式的奇偶性和周期性題25
圓周率π是無理數題26
最大微分熵題28
其他特色題題2,12,13,14,22,27,31
第4章多元函式微分學
4.1函式與圖形
4.1.1內容要點
4.1.2例題選講
4.1.3習題彙編
特色題
下料問題例1
曲面上的螞蟻尋路問題例2,題1
正劈錐的參數方程例3
默比烏斯帶的參數方程例5
一般旋轉曲面的參數方程例6
單葉雙曲面是直紋面題3
齊次函式與錐面方程題6
禮花綻放題15
其他特色題題9,13
4.2多元函式的極限、連續與微分
4.2.1內容要點
4.2.2例題選講
4.2.3習題彙編
內容分類
多元函式的極限與連續
偏導數與全微分
隱函式的一階偏導數
高階偏導數
綜合題
特色題
x2+y2的方嚮導數與偏導數例4
已知全微分求原函式例7,題8
高階偏導數例10,題16
解偏微分方程例11,題24,25
調和函式題19,20
齊次函式題23
其他特色題例8,題15,22
4.3多元函式微分學的套用
4.3.1內容要點
4.3.2例題選講
4.3.3習題彙編
內容分類
幾何套用
多元函式的極值與最值
綜合題
特色題
曲線簇的包絡線例2,題5,6
等距線例3,題8
最遠(近)點的垂線原理例5,題19,20
一個非常規的切線問題題2
橢球面的切線束題9
柱面方程的特徵題10
發電廠的選址問題題24
其他特色題題16,23
第5章多元函式積分學
5.1重積分
5.1.1內容要點
5.1.2例題選講
5.1.3習題彙編
內容分類
二重積分的計算
三重積分的計算
重積分的簡算
重積分的一般變數代換
含參數的積分
積分不等式
求面積和體積問題
綜合題
特色題
重積分的對稱奇偶性例1,2
用重心法計算的重積分例3
卷積的計算例7,題21
卷積的運算律題20
二次型與橢圓的面積題30
二次型與橢球的體積題31
其他特色題例5,6,題6,9,22,23,37,38
5.2曲線積分與曲面積分
5.2.1內容要點
5.2.2例題選講
5.2.3習題彙編
內容分類
曲線積分
對面積的曲面積分
對坐標的曲面積分
特色題
平移變換下一個曲線積分的計算例1
閉曲線內部有奇點的曲線積分例2
調和函式的平均值定理例4
靈活選擇的面積微元例5
用積分坐標的轉換計算曲面積分例6,題21
用輪換對稱計算的曲面積分例9
湊原函式計算曲線積分題7
用對稱奇偶性計算曲面積分題14
用斯托克斯公式計算曲線積分題26,27
其他特色題題3,12,22
5.3多元函式積分學的套用
5.3.1內容要點
5.3.2例題選講
5.3.3習題彙編
內容分類
多元積分學的幾何套用
多元積分學的物理套用
特色題
用微元法解釋對稱奇偶性例1,題1
用曲線積分求柱面的面積例2
星形線的旋轉面面積例3
圓錐面鋪平後其上的曲線長度不變例4
公路隔離欄原理例5
公路占地原理例6
等周問題例7
圓柱面鋪平後其上的曲線長度不變題2
咕嚕金定理題6
球冠的體積和表面積題8
彎管的啟示題9
旋轉液面的形狀題12
雪堆的融化問題題14
阿基米德定律的推導題16
第6章無窮級數
6.1數項級數
6.1.1內容要點
6.1.2例題選講
6.1.3習題彙編
內容分類
級數求和
正項級數
一般項級數
綜合題
特色題
拆項相消法求級數的和例1,題1
正項級數的斂散性與一般項趨於零的速度例3
正項級數斂散性的積分判別法例4
條件收斂級數中的正負項級數例5
條件收斂的級數不滿足加法交換律例6
用泰勒公式分解級數例7,題27,30
級數的斂散性與數列的斂散性例8
比較法的極限形式不適合非正項級數例9
一個二重級數的斂散性題43
無窮積分的斂散性與級數的斂散性題46,47
狄利克雷積分∫+∞0(sinx/x)dx條件收斂題48
壓縮映射原理題49
數列xn=cosxn-1的斂散性題51
斐波那契數列與黃金分割比題53
其他特色題題10,21,28,31,32,47
6.2函式項級數
6.2.1內容要點
6.2.2例題選講
6.2.3習題彙編
內容分類
冪級數的收斂域
函式的冪級數展開式
冪級數求和
一般函式項級數
綜合題
特色題
兩個冪級數和的收斂域例1
e-1/x2不能展開為冪級數例6
傅立葉級數的閉合性公式例8
冪級數∑∞n=1sinnn2xn的收斂域題6
斐波那契數列的母函式題15
∑∞n=0sinnx與∑∞n=0cosnx的收斂域題22
用傅立葉級數求數項級數的和題25
提不盡的銀行存款題33
有理函式的冪級數特徵題38,39
傅立葉級數的維爾丁格不等式題41
用傅立葉級數證明等周問題題42
其他特色題題21,29,31,40
第7章微分方程
7.1初等積分法與線性方程
7.1.1內容要點
7.1.2例題選講
7.1.3習題彙編
內容分類
初等積分法
線性微分方程
綜合題
特色題
積分因子例1,題6,7
非齊次線性方程特解的運算元解法例5,6,題9
二階線性齊次方程的朗斯基行列式例7
可化為常微分方程的偏微分方程例8,題20
由通解求方程形式題1
用逆運算元求不定積分∫x3e2xdx題11
二階常係數非齊次線性方程的一個新解法題17
其他特色題題14,16
7.2微分方程的套用
內容分類
微分方程的物理套用
微分方程的幾何套用
其他套用題
特色題
將地球變為黑洞題1
滑行距離問題題2
浮筒的振動題3
馬王堆一號墓的年代考證題6
給CPU降溫題7
懸鏈線題8
攀岩的路徑題9
雨滴流淌的軌跡題10
曳物線題11
追及問題題12
橫渡江河的線路題13
擺渡線路題14
四人追逐線路題15
盤山公路的修築題16
湖泊污染的治理題17
降雪與掃雪問題題20
兇犯的排除題21
新技術的推廣題22
第2部分習題解答
第1章一元函式的極限與連續
1.1極限
1.2一元函式的連續性
第2章一元函式微分學
2.1導數與微分
2.2微分中值定理與導數的套用
2.3一元微分學綜合題
第3章不定積分與定積分
3.1不定積分
3.2定積分
3.3定積分綜合題
第4章多元函式微分學
4.1函式與圖形
4.2多元函式的極限、連續與微分
4.3多元函式微分學的套用
第5章多元函式積分學
5.1重積分
5.2曲線積分與曲面積分
5.3多元函式積分學的套用
第6章無窮級數
6.1數項級數
6.2函式項級數
第7章微分方程
7.1初等積分法與線性方程
7.2微分方程的套用
附錄A北京市大學生數學競賽簡介
附錄B(第20~26屆)北京市大學生數學競賽(經濟管理類)賽題及答案與提示
第20屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2009年)
第21屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2010年)
第22屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2011年)
第23屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2012年)
第24屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2013年)
第25屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2014年)
第26屆北京市大學生數學競賽賽題(經濟管理類,2015年)
答案與提示
附錄C中國大學生數學競賽大綱(非數學類)
附錄D全國大學生數學競賽預賽賽題及答案與提示
首屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2009年)
第2屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2010年)
第3屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2011年)
第4屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2012年)
第5屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2013年)
第6屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2014年)
第7屆全國大學生數學競賽預賽賽題(非數學類,2015年)
答案與提示
附錄E全國大學生數學競賽決賽賽題及答案與提示
首屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2010年)
第2屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2011年)
第3屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2012年)
第4屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2013年)
第5屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2014年)
第6屆全國大學生數學競賽決賽賽題(非數學類,2015年)
答案與提示
附錄F常用公式與記號
參考文獻