第 059 篇

2026考研数学二真题精讲①:选择题1–4(等价无穷小·解的结构·隐函数·引力)

约 15 分钟 4935 字 2026真题数学考研数学二高等数学

2026 考研数学二 · 以练串学 ①|选择题 1–4

这一篇不只讲 4 道题。每道题都会带出一条"知识链":先用热身题把底子补上,再拆真题,最后用 3 道变式题把同一个思路练熟。

建议用法

  1. 先只看题目,自己做 2 分钟。答案是折叠的,做完再点开。
  2. 卡住了,先做「热身」,再回来看真题。
  3. 真题弄懂后,把「变式训练」从易到难做一遍。每道都有提示和完整解答。

所有答案都用代码(SymPy)重新验算过。


第 1 题 等价无穷小定参数

题目 当 x→0x\to0 时,ax2+bx+arcsin⁡xax^2+bx+\arcsin x 与 1+x23−1\sqrt[3]{1+x^2}-1 是等价无穷小,则( )

(A) a=13, b=−1a=\frac13,\ b=-1  (B) a=13, b=1a=\frac13,\ b=1

(C) a=23, b=−1a=\frac23,\ b=-1  (D) a=23, b=1a=\frac23,\ b=1

做完再点开:答案

(A) a=13a=\frac13,b=−1b=-1。

🧭 知识地图

极限的四则运算 → 等价无穷小 → 泰勒展开(核心工具) → 无穷小的阶 → 定参数题

同一套工具还会用在:本卷第 12 题(∞−∞ 型极限),以及每年必考的"求极限"大题。

🔥 热身(2 分钟)

热身 1 求 lim⁡x→0x−sin⁡xx3\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{x-\sin x}{x^3}。

热身 2 求 lim⁡x→01+2x2−1x2\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sqrt{1+2x^2}-1}{x^2}。

热身答案

热身 1: 16\frac16。因为 sin⁡x=x−x36+o(x3)\sin x=x-\frac{x^3}{6}+o(x^3),所以 x−sin⁡x∼x36x-\sin x\sim\frac{x^3}{6}。

热身 2: 11。用 (1+u)α−1∼αu(1+u)^\alpha-1\sim\alpha u,取 u=2x2u=2x^2,α=12\alpha=\frac12,分子 ∼x2\sim x^2。

这两题正好对应真题要用的两件工具:泰勒展开和幂函数的等价。

👀 一眼看穿

右边大约是 13x2\frac13x^2,是个"二阶小量"。

左边想和它等价,必须做到两件事:

  • 比 x2x^2 低阶的项(也就是 xx 的一次项)必须消掉;
  • x2x^2 项的系数必须正好是 13\frac13。

所以这是一道"展开后对系数"的题。

两条曲线在 0 附近重合:说明 a=1/3、b=−1 时两者等价

图:取 a=1/3、b=−1 时,两条曲线在 0 附近几乎重合(Python 绘制)

📚 知识点深度回顾

① 等价无穷小到底在比什么

α∼β\alpha\sim\beta 的意思是 lim⁡αβ=1\lim\frac{\alpha}{\beta}=1。

换个角度理解:两个无穷小的**"最大的那一项"完全一样**。

比如 x→0x\to0 时,x2+x5x^2+x^5 的"最大项"是 x2x^2,后面的 x5x^5 小到可以忽略。

② 为什么定参数题一定要用泰勒展开

等价无穷小替换只能处理"乘除"。一旦式子里有"加减",替换可能出错。

例如 tan⁡x−sin⁡x\tan x-\sin x:如果直接把两项都换成 xx,会得到 00,这是错的。

泰勒展开把每一项都拆成 x, x2, x3,…x,\ x^2,\ x^3,\dots 的组合,加减就变成合并同类项,不会出错。

③ 必背的展开式(x→0x\to0)

函数 展开到 x3x^3
sin⁡x\sin x x−x36x-\frac{x^3}{6}
arcsin⁡x\arcsin x x+x36x+\frac{x^3}{6}
tan⁡x\tan x x+x33x+\frac{x^3}{3}
arctan⁡x\arctan x x−x33x-\frac{x^3}{3}
ln⁡(1+x)\ln(1+x) x−x22+x33x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}
exe^x 1+x+x22+x361+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{6}
(1+x)α(1+x)^\alpha 1+αx+α(α−1)2x21+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2}x^2

怎么记: sin⁡\sin 和 arcsin⁡\arcsin 的三次项只差一个符号,tan⁡\tan 和 arctan⁡\arctan 也是。"反"函数把符号反过来。

④ 展开到第几项?

看对手。对方是几阶,你就展开到几阶。

本题右边是二阶,左边展开到 x2x^2 就够了。写到 x3x^3 只是为了更放心。

✍️ 详细步骤

第 1 步:展开左边。

ax2+bx+arcsin⁡x=(b+1) x+a x2+x36+o(x3)ax^2+bx+\arcsin x=(b+1)\,x+a\,x^2+\frac{x^3}{6}+o(x^3)

第 2 步:消掉一次项。

右边是二阶小量。如果左边还剩一次项,两边相除会趋于无穷,不可能等于 1。

所以 b+1=0b+1=0,即 b=−1b=-1。

第 3 步:对齐二次项。

现在左边 =ax2+o(x2)=a x^2+o(x^2),右边 ∼13x2\sim\frac13x^2。两者相除的极限是 3a3a,令它等于 1,得到 a=13a=\frac13。

答案:(A)。

🔁 变式训练(由易到难)

变式 1(换一个函数) 当 x→0x\to0 时,ax+bx2+ln⁡(1+x)ax+bx^2+\ln(1+x) 与 x2x^2 等价,求 a,ba,b。

变式 2(判断阶数) 当 x→0x\to0 时,tan⁡x−sin⁡x\tan x-\sin x 是 xx 的几阶无穷小?

变式 3(经典难题) 确定 a,ba,b,使得 x−(a+bcos⁡x)sin⁡xx-(a+b\cos x)\sin x 是 xx 的 5 阶无穷小。

变式 1 提示与解答

提示: 和真题一模一样,只是把 arcsin⁡x\arcsin x 换成 ln⁡(1+x)\ln(1+x)。

解: ln⁡(1+x)=x−x22+o(x2)\ln(1+x)=x-\frac{x^2}{2}+o(x^2),所以

ax+bx2+ln⁡(1+x)=(a+1) x+(b−12)x2+o(x2)ax+bx^2+\ln(1+x)=(a+1)\,x+\left(b-\tfrac12\right)x^2+o(x^2)

一次项消掉:a=−1a=-1。二次项系数为 1:b−12=1b-\frac12=1,所以 b=32b=\frac32。

变式 2 提示与解答

提示: 这里是"减法",不能把两项都直接换成 xx。

解: 展开到三次:

tan⁡x−sin⁡x=(x+x33)−(x−x36)+o(x3)=x32+o(x3)\tan x-\sin x=\left(x+\tfrac{x^3}{3}\right)-\left(x-\tfrac{x^3}{6}\right)+o(x^3)=\frac{x^3}{2}+o(x^3)

所以它是 3 阶无穷小,并且 tan⁡x−sin⁡x∼x32\tan x-\sin x\sim\frac{x^3}{2}。

另一种写法:tan⁡x−sin⁡x=tan⁡x (1−cos⁡x)∼x⋅x22\tan x-\sin x=\tan x\,(1-\cos x)\sim x\cdot\frac{x^2}{2}。先提公因式变成乘法,就能放心用等价替换。

变式 3 提示与解答

提示: 要成为 5 阶,xx 和 x3x^3 的系数都必须是 0。

解: 先展开 cos⁡xsin⁡x=12sin⁡2x=x−23x3+o(x3)\cos x\sin x=\frac12\sin 2x=x-\frac{2}{3}x^3+o(x^3),以及 sin⁡x=x−x36+o(x3)\sin x=x-\frac{x^3}{6}+o(x^3)。于是

x−(a+bcos⁡x)sin⁡x=(1−a−b) x+(a6+2b3)x3+o(x3)x-(a+b\cos x)\sin x=(1-a-b)\,x+\left(\frac a6+\frac{2b}{3}\right)x^3+o(x^3)

令两个系数都为 0:

1−a−b=0,a6+2b3=01-a-b=0,\qquad \frac a6+\frac{2b}{3}=0

解得 a=43a=\frac43,b=−13b=-\frac13。代回去再展开,第一个非零项是 x530\frac{x^5}{30},确实是 5 阶。

🗂 记忆卡片

  • 🔑 定参数口诀:低阶全消,首项对齐。
  • 🧠 加减用泰勒,乘除用等价。
  • ⚠️ 加减里直接做等价替换,是这类题最常见的丢分点。

第 2 题 非齐次线性方程:解的"系数和"

题目 设 y1(x),y2(x)y_1(x),y_2(x) 是某二阶非齐次线性微分方程的两个特解。若常数 λ,μ\lambda,\mu 使 2λy1+μy22\lambda y_1+\mu y_2 是该方程的解,λy1−2μy2\lambda y_1-2\mu y_2 是对应齐次方程的解,则( )

(A) λ=15, μ=25\lambda=\frac15,\ \mu=\frac25  (B) λ=25, μ=15\lambda=\frac25,\ \mu=\frac15

(C) λ=14, μ=12\lambda=\frac14,\ \mu=\frac12  (D) λ=12, μ=14\lambda=\frac12,\ \mu=\frac14

做完再点开:答案

(B) λ=25\lambda=\frac25,μ=15\mu=\frac15。

🧭 知识地图

线性运算 → 线性算子 L[y]L[y] → 齐次解可以叠加 → 非齐次通解 = 齐次通解 + 一个特解

下游:本卷第 21 题(解微分方程);以及"已知几个特解,反求方程或通解"的经典题。

🔥 热身(1 分钟)

热身 设 L[y]=y′−yL[y]=y'-y。已知 L[e2x]=e2xL[e^{2x}]=e^{2x},求 L[3e2x]L[3e^{2x}] 和 L[e2x−e2x]L[e^{2x}-e^{2x}]。

热身答案

L[3e2x]=3e2xL[3e^{2x}]=3e^{2x},L[0]=0L[0]=0。

这就是"线性"的意思:系数可以提出来,加法可以拆开。 真题考的正是这一点。

👀 一眼看穿

不用解方程。只看组合的系数加起来等于几。

📚 知识点深度回顾

① 把方程看成一台"机器"

记 L[y]=y′′+p(x)y′+q(x)yL[y]=y''+p(x)y'+q(x)y。

  • 非齐次方程:L[y]=f(x)L[y]=f(x),其中 f≢0f\not\equiv0;
  • 齐次方程:L[y]=0L[y]=0。

这台机器是线性的:

L[k1y1+k2y2]=k1L[y1]+k2L[y2]L[k_1y_1+k_2y_2]=k_1L[y_1]+k_2L[y_2]

② 系数和决定"身份"

如果 y1,y2y_1,y_2 都满足 L[y]=fL[y]=f,那么

L[k1y1+k2y2]=(k1+k2) fL[k_1y_1+k_2y_2]=(k_1+k_2)\,f

  • 系数和 =1=1:结果还是 ff,组合仍是非齐次解;
  • 系数和 =0=0:结果是 00,组合变成齐次解;
  • 其他情况:两种解都不是。

③ 通解的结构

非齐次通解 = 齐次通解 + 任意一个非齐次特解。

二阶齐次方程的通解需要两个线性无关的齐次解。

✍️ 详细步骤

第 1 步: 2λy1+μy22\lambda y_1+\mu y_2 是非齐次解,所以系数和为 1:2λ+μ=12\lambda+\mu=1。

第 2 步: λy1−2μy2\lambda y_1-2\mu y_2 是齐次解,所以系数和为 0:λ−2μ=0\lambda-2\mu=0,即 λ=2μ\lambda=2\mu。

第 3 步: 代入第 1 步:4μ+μ=14\mu+\mu=1,得 μ=15\mu=\frac15,λ=25\lambda=\frac25。

答案:(B)。

🔁 变式训练(由易到难)

变式 1(概念判断) y1,y2,y3y_1,y_2,y_3 是同一个非齐次方程的三个不同特解。判断 y1+y2−y3y_1+y_2-y_3 和 y1+y22\frac{y_1+y_2}{2} 各是什么解。

变式 2(反求通解和方程) 二阶常系数方程 y′′+py′+qy=f(x)y''+py'+qy=f(x) 有三个解:1+x1+x,1+x+ex1+x+e^x,1+x+e−x1+x+e^{-x}。求它的通解,并写出这个方程。

变式 3(一阶版本) y′+P(x)y=Q(x)y'+P(x)y=Q(x)(Q≢0Q\not\equiv0)有两个不同的解 y1,y2y_1,y_2。用它们写出通解。

变式 1 提示与解答

提示: 只算系数和。

解: y1+y2−y3y_1+y_2-y_3 的系数和是 1+1−1=11+1-1=1,是非齐次解。

y1+y22\frac{y_1+y_2}{2} 的系数和是 12+12=1\frac12+\frac12=1,也是非齐次解。

变式 2 提示与解答

提示: 两个非齐次解相减,得到齐次解。

解: 相减得到两个齐次解:exe^x 和 e−xe^{-x},它们线性无关。

齐次通解是 C1ex+C2e−xC_1e^x+C_2e^{-x},所以通解为

y=C1ex+C2e−x+1+xy=C_1e^x+C_2e^{-x}+1+x

再反求方程:齐次解是 e±xe^{\pm x},说明特征根为 ±1\pm1,齐次部分是 y′′−yy''-y。把特解 1+x1+x 代进去,得 f(x)=0−(1+x)f(x)=0-(1+x)。

所以方程是 y′′−y=−(1+x)y''-y=-(1+x)。

变式 3 提示与解答

提示: 一阶齐次方程的通解只需要一个非零齐次解。

解: y1−y2y_1-y_2 是一个非零的齐次解,所以齐次通解是 C(y1−y2)C(y_1-y_2)。

通解为

y=y1+C (y1−y2)y=y_1+C\,(y_1-y_2)

🗂 记忆卡片

  • 🔑 系数和为 1,还是非齐次;系数和为 0,变成齐次。
  • 🧠 两个非齐次解相减,就得到一个齐次解。这是"反求通解"题的第一步。
  • 🔗 和第 21 题连起来看:先找齐次解,再加一个特解。

第 3 题 隐函数求偏导

题目 设 z=z(x,y)z=z(x,y) 由方程 x−az=ey+azx-az=e^{y+az}(aa 为非零常数)确定,则( )

(A) zx−zy=1az_x-z_y=\frac1a  (B) zx+zy=1az_x+z_y=\frac1a

(C) zx−zy=−1az_x-z_y=-\frac1a  (D) zx+zy=−1az_x+z_y=-\frac1a

做完再点开:答案

(A) zx−zy=1az_x-z_y=\frac1a。

🧭 知识地图

一元复合求导 → 多元链式法则 → 隐函数求导(公式法 / 直接求导法)→ 二阶偏导、全微分

下游:本卷第 14 题(链式法则)、第 19 题(多元极值要先求偏导)。

🔥 热身(2 分钟)

热身 z=z(x,y)z=z(x,y) 由 x2+y2+z2=4zx^2+y^2+z^2=4z 确定,求 zxz_x。

热身答案

两边对 xx 求偏导,zz 看作 xx 的函数:

2x+2z zx=4zx2x+2z\,z_x=4z_x

解出 zx=x2−zz_x=\dfrac{x}{2-z}。

这就是"直接求导法":把 zz 当成 x,yx,y 的函数,对整个等式求导,再解出 zxz_x。

👀 一眼看穿

四个选项都是"zx±zyz_x\pm z_y 等于常数"。

这说明两个偏导的分母相同,加或减之后,分子会凑成分母。直接求出来就行。

📚 知识点深度回顾

① 公式从哪里来

设 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 确定了 z=z(x,y)z=z(x,y)。把 zz 代回去,FF 恒等于 0。对 xx 求偏导:

Fx+Fz⋅zx=0F_x+F_z\cdot z_x=0

所以

zx=−FxFz,zy=−FyFzz_x=-\frac{F_x}{F_z},\qquad z_y=-\frac{F_y}{F_z}

条件是 Fz≠0F_z\neq0。这也是隐函数存在定理的核心条件。

② 两种方法怎么选

  • 公式法: 快。但要记住负号,而且 FF 要先把所有项移到同一边。
  • 直接求导法: 慢一点,但不容易出错。求二阶偏导时更方便。

③ 常见坑

  • 漏掉负号;
  • 求 FxF_x 时,把 zz 也对 xx 求了导。这是错的:在公式法里,x,y,zx,y,z 是三个独立变量。

✍️ 详细步骤

第 1 步: 移项。令 F=x−az−ey+azF=x-az-e^{y+az}。

第 2 步: 分别求偏导:

Fx=1,Fy=−ey+az,Fz=−a(1+ey+az)F_x=1,\qquad F_y=-e^{y+az},\qquad F_z=-a\left(1+e^{y+az}\right)

第 3 步: 代公式:

zx=1a(1+ey+az),zy=−ey+aza(1+ey+az)z_x=\frac{1}{a\left(1+e^{y+az}\right)},\qquad z_y=\frac{-e^{y+az}}{a\left(1+e^{y+az}\right)}

第 4 步: 相减,分子正好凑成分母:

zx−zy=1+ey+aza(1+ey+az)=1az_x-z_y=\frac{1+e^{y+az}}{a\left(1+e^{y+az}\right)}=\frac1a

答案:(A)。

🔁 变式训练(由易到难)

变式 1(经典结论) z=z(x,y)z=z(x,y) 由 φ(x−az, y−bz)=0\varphi(x-az,\ y-bz)=0 确定,φ\varphi 可微。证明 a zx+b zy=1a\,z_x+b\,z_y=1。

变式 2(求值) z=z(x,y)z=z(x,y) 由 z3−3xyz=1z^3-3xyz=1 确定,求 zx(0,0)z_x(0,0) 和 zxy(0,0)z_{xy}(0,0)。

变式 3(选择题风格) z=z(x,y)z=z(x,y) 由 x+y+z=ezx+y+z=e^{z} 确定,问 zx−zyz_x-z_y 等于多少?

变式 1 提示与解答

提示: 令 u=x−azu=x-az,v=y−bzv=y-bz,用公式法。

解: F=φ(u,v)F=\varphi(u,v),所以

Fx=φ1,Fy=φ2,Fz=−aφ1−bφ2F_x=\varphi_1,\qquad F_y=\varphi_2,\qquad F_z=-a\varphi_1-b\varphi_2

于是 zx=φ1aφ1+bφ2z_x=\dfrac{\varphi_1}{a\varphi_1+b\varphi_2},zy=φ2aφ1+bφ2z_y=\dfrac{\varphi_2}{a\varphi_1+b\varphi_2}。

azx+bzy=aφ1+bφ2aφ1+bφ2=1a z_x+b z_y=\frac{a\varphi_1+b\varphi_2}{a\varphi_1+b\varphi_2}=1

和真题完全同一个思路:分母相同,分子凑成分母。

变式 2 提示与解答

提示: 先由 x=y=0x=y=0 求出 z=1z=1。

解: 用公式法:

zx=yzz2−xy,zy=xzz2−xyz_x=\frac{yz}{z^2-xy},\qquad z_y=\frac{xz}{z^2-xy}

在 (0,0)(0,0) 处 z=1z=1,所以 zx(0,0)=0z_x(0,0)=0。

再对 zxz_x 求 yy 的偏导(zz 仍看作函数)。代入 x=y=0x=y=0、z=1z=1、zy=0z_y=0,得到 zxy(0,0)=1z_{xy}(0,0)=1。代码验算一致。

变式 3 提示与解答

解: F=x+y+z−ezF=x+y+z-e^z,Fx=Fy=1F_x=F_y=1,Fz=1−ezF_z=1-e^z。

所以 zx=zy=1ez−1z_x=z_y=\dfrac{1}{e^z-1},相减得 zx−zy=0z_x-z_y=0。

这个例子告诉你:当 xx 和 yy 在方程里"地位相同"时,两个偏导一定相等。

🗂 记忆卡片

  • 🔑 zx=−Fx/Fzz_x=-F_x/F_z。负号别丢,FF 先移项。
  • 🧠 选项是"zx±zy=z_x\pm z_y= 常数"时,答案几乎都是"分子凑成分母"。
  • 🔗 变式 1 的结论 azx+bzy=1a z_x+b z_y=1 是高频考点,值得记住。

第 4 题 细棒对质点的引力(定积分的物理应用)

题目 线密度为 1 的细直棒,两端点为 (−1,0)(-1,0) 和 (1,0)(1,0)。质量为 mm 的质点位于 (0,1)(0,1),GG 为引力常量。细棒对质点的引力大小为( )

(A) ∫012Gmx(x2+1)1/2dx\displaystyle\int_0^1\frac{2Gmx}{(x^2+1)^{1/2}}dx  (B) ∫012Gm(x2+1)1/2dx\displaystyle\int_0^1\frac{2Gm}{(x^2+1)^{1/2}}dx

(C) ∫012Gmx(x2+1)3/2dx\displaystyle\int_0^1\frac{2Gmx}{(x^2+1)^{3/2}}dx  (D) ∫012Gm(x2+1)3/2dx\displaystyle\int_0^1\frac{2Gm}{(x^2+1)^{3/2}}dx

做完再点开:答案

(D)。顺便可以算出 F=2 GmF=\sqrt2\,Gm。

🧭 知识地图

定积分的定义(分割、近似、求和、取极限)→ 微元法 → 面积、体积、弧长 → 物理应用(引力、压力、做功)

下游:本卷第 20 题(旋转体体积用的也是微元法)。

🔥 热身(2 分钟)

热身 计算 ∫01dx(1+x2)3/2\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{(1+x^2)^{3/2}}。

热身答案

令 x=tan⁡tx=\tan t,则 dx=sec⁡2t dtdx=\sec^2t\,dt,(1+x2)3/2=sec⁡3t(1+x^2)^{3/2}=\sec^3t。

∫0π/4cos⁡t dt=sin⁡t ∣0π/4=22\int_0^{\pi/4}\cos t\,dt=\left.\sin t\,\right\rvert_0^{\pi/4}=\frac{\sqrt2}{2}

记住这个原函数:∫dx(1+x2)3/2=x1+x2+C\displaystyle\int\frac{dx}{(1+x^2)^{3/2}}=\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}+C。引力题几乎都会用到它。

👀 一眼看穿

  • 图形左右对称,所以水平分力相互抵消,只剩竖直方向。
  • 竖直分力 = 总力 ×cos⁡θ\times\cos\theta。其中 cos⁡θ=1x2+1\cos\theta=\frac{1}{\sqrt{x^2+1}},再乘上 1x2+1\frac{1}{x^2+1},指数就变成 32\frac32。
  • 竖直分量的分子里没有 xx。

微元受力示意:水平分量左右抵消,只剩竖直分量

图:微元受力示意。水平分量左右抵消,只剩竖直分量(Python 绘制)

📚 知识点深度回顾

① 微元法的三步

  1. 取一小段: 在 [x,x+dx][x,x+dx] 上,把这一小段近似看成一个点;
  2. 写这一小段的贡献: 这里是一个小引力 dFdF;
  3. 加起来: 对 dFdF 积分。

② 为什么必须先分解再积分

力是向量,有方向。不同小段对质点的拉力方向不同,所以不能把大小直接相加。

正确做法:先把每个 dFdF 拆成水平和竖直两个分量,再分别积分。

③ 这道题的每个量

  • 小段质量:dm=1⋅dxdm=1\cdot dx;
  • 到质点的距离:r=x2+1r=\sqrt{x^2+1};
  • 小引力的大小:Gm dxr2\dfrac{Gm\,dx}{r^2};
  • 竖直分量乘 cos⁡θ=1r\cos\theta=\frac1r,水平分量乘 sin⁡θ=xr\sin\theta=\frac xr。

水平分量是 xx 的奇函数,在 [−1,1][-1,1] 上积分为 0。

✍️ 详细步骤

第 1 步: 写竖直分量:

dFy=Gm dxx2+1⋅1x2+1=Gm dx(x2+1)3/2dF_y=\frac{Gm\,dx}{x^2+1}\cdot\frac{1}{\sqrt{x^2+1}}=\frac{Gm\,dx}{(x^2+1)^{3/2}}

第 2 步: 积分,利用偶函数把区间折半:

F=∫−11Gm(x2+1)3/2dx=∫012Gm(x2+1)3/2dxF=\int_{-1}^{1}\frac{Gm}{(x^2+1)^{3/2}}dx=\int_0^1\frac{2Gm}{(x^2+1)^{3/2}}dx

答案:(D)。 由热身结果,F=2Gm⋅22=2 GmF=2Gm\cdot\frac{\sqrt2}{2}=\sqrt2\,Gm。

🔁 变式训练(由易到难)

变式 1(棒在延长线上) 线密度为 ρ\rho、长为 ll 的细棒放在 [0,l][0,l] 上,质点 mm 位于 (l+a,0)(l+a,0),其中 a>0a>0。求引力。

变式 2(不对称) 细棒放在 [0,l][0,l] 上,线密度为 ρ\rho,质点 mm 位于 (0,h)(0,h)。分别求水平分力和竖直分力。

变式 3(换个物理量:水压力) 半径为 RR 的半圆形闸门竖直放在水中,直径在水面上。求闸门受到的水压力(水的密度 ρ\rho,重力加速度 gg)。

变式 1 提示与解答

提示: 所有小段都在同一条直线上,方向相同,可以直接把大小相加。

解: 小段 [x,x+dx][x,x+dx] 到质点的距离是 l+a−xl+a-x:

F=∫0lGmρ(l+a−x)2dx=Gmρ(1a−1l+a)=Gmρ la(l+a)F=\int_0^l\frac{Gm\rho}{(l+a-x)^2}dx=Gm\rho\left(\frac1a-\frac{1}{l+a}\right)=\frac{Gm\rho\,l}{a(l+a)}

变式 2 提示与解答

提示: 不对称时,水平分量不会抵消。两个都要算。

解:

Fy=Gmρ∫0lh(x2+h2)3/2dx=Gmρ lhh2+l2F_y=Gm\rho\int_0^l\frac{h}{(x^2+h^2)^{3/2}}dx=\frac{Gm\rho\,l}{h\sqrt{h^2+l^2}}

Fx=Gmρ∫0lx(x2+h2)3/2dx=Gmρ(1h−1h2+l2)F_x=Gm\rho\int_0^l\frac{x}{(x^2+h^2)^{3/2}}dx=Gm\rho\left(\frac1h-\frac{1}{\sqrt{h^2+l^2}}\right)

注意 h≠1h\neq1 时,竖直分量的分子是 hh,不是 1。

变式 3 提示与解答

提示: 微元法照旧。换成取一条水平细条,它的深度处处相同,压强也相同。

解: 深度为 xx 处的细条宽 2R2−x22\sqrt{R^2-x^2},压强是 ρgx\rho g x:

P=∫0Rρg x⋅2R2−x2 dx=23ρgR3P=\int_0^R\rho g\,x\cdot2\sqrt{R^2-x^2}\,dx=\frac23\rho g R^3

引力、压力、做功,都是"取一小块 → 写贡献 → 积分"这三步。

🗂 记忆卡片

  • 🔑 引力题:r2r^2 在分母,再乘一个 cos⁡\cos,指数从 1 变成 32\frac32。
  • ⚠️ 分子带 xx 的选项(A、C)是水平分量。对称时它等于 0,是陷阱。
  • 🧮 ∫dx(x2+1)3/2=xx2+1+C\displaystyle\int\frac{dx}{(x^2+1)^{3/2}}=\frac{x}{\sqrt{x^2+1}}+C

🔗 串联练习:把第 1 题和第 4 题连起来

题目 把第 4 题的细棒换成 [−l,l][-l,l],其他条件不变。

  1. 求引力 F(l)F(l);
  2. 当 l→0l\to0 时,F(l)F(l) 与什么等价?
  3. 当 l→+∞l\to+\infty 时,F(l)F(l) 趋于多少?
提示与解答

1. 用第 4 题的方法和热身里的原函数:

F(l)=∫0l2Gm(x2+1)3/2dx=2Gm ll2+1F(l)=\int_0^l\frac{2Gm}{(x^2+1)^{3/2}}dx=\frac{2Gm\,l}{\sqrt{l^2+1}}

2. l→0l\to0 时,l2+1→1\sqrt{l^2+1}\to1,所以 F(l)∼2Gm lF(l)\sim2Gm\,l。

物理意义:棒很短时,它就像一个质量为 2l2l、离质点距离为 1 的质点。这正好用上第 1 题的"等价无穷小"。

3. l→+∞l\to+\infty 时,F(l)→2GmF(l)\to2Gm。无限长的棒,引力也是有限的。


📋 本篇速记总表

题 考点 一句话钥匙 连到
1 等价无穷小定参数 低阶全消,首项对齐 第 12 题
2 解的结构 系数和为 1 是非齐次,为 0 是齐次 第 21 题
3 隐函数偏导 负号别丢,分子凑分母 第 14、19 题
4 引力(微元法) 先分解再积分,指数 32\frac32 第 20 题

✅ 自测清单

  • 我能默写 7 个常用泰勒展开式,并说出 sin⁡\sin 和 arcsin⁡\arcsin 的区别。
  • 我知道什么时候不能用等价替换。
  • 我能用"系数和"判断一个组合是什么解。
  • 我能推导出 zx=−Fx/Fzz_x=-F_x/F_z,而不只是背下来。
  • 我能用微元法写出引力、压力的积分式。

说明: 真题依据 2026 年全国硕士研究生招生考试数学(二)(2025 年 12 月考试),原题与参考答案见 [1]、[2]。热身题和变式题为本文改编或选自经典题型。所有答案都已用 SymPy 验算。口诀只是记忆方法,不是官方结论。

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