2.28 正三角形带电薄片(带正电荷)位于Σ:x+y+z=−a(其中a>0)的平面上,且带电薄片限定于−a≤x≤0与−a≤y≤0之间,
其电荷面密度为σ,试求出原点处的电场强度E(矢量)
∣∣∣→E∣∣∣=√3∬Σ:x+y+z=−aσdS4πε0(x2+y2+z2)|x|√x2+y2+z2
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→i⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→j⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|y|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→k⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|z|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣=√3∬Σ:x+y+z=−aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32=√3σ4πε0∬Σ:x+y+z=−a|x|(x2+y2+z2)32dS=√3σ4πε0∫0−a∫0−a−y√3|x|(x2+y2+(−a−x−y)2)32dxdy=√3σ4πε0∫0−a∫0−a−y√3|x|(x2+y2+(a+x+y)2)32dxdy=√3σ4πε0∫a0∫a−y0√3x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy=3σ4πε0∫a0∫a−y0x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy
∫a0∫a−y0x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy=π6
如图,分别以△ABC的边AC,BC为一边在三角形外作正方形ACFG和BCED, I为EF上的中点,求证: IH⊥AB.
如图,分别以△ABC的边AC,BC为一边在三角形外作正方形ACFG和BCED, IH⊥AB,求证: I为EF上的中点.
过EJ作CF的平行线交CI的延长线于J.证明△CEJ≅ACB,则EJ=CB=FC,从而四边形EJFC为平行四边形,那么M为FH上的中点.

分别过E,F作CI的垂线,垂足为J,K.

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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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%\title{中国科学技术大学\\
%2015年硕士学位研究生入学考试试题}
%\author{(线性代数与解析几何)}
%\date{}
%\newenvironment{newproof}{\par\CJKfamily{xiao}\noindent{\makebox[0pt][r]{\;\;}\textbf{证明:}}\color{black!90}\small}{\hfill□\quad\par}
%\newenvironment{solution}{\par\CJKfamily{xiao}\noindent{\makebox[0pt][r]{\;\;}\textbf{解:}}\small}{\hfill□\quad\par}
\newenvironment{Proof}{\par\noindent{\hei 证明}\hspace{1em}}{\qed\par}
\newenvironment{Answer}{\par\noindent{\hei 答}\hspace{1em}}{\par\song}
\newenvironment{Solution}{\par\noindent{\hei 解}\hspace{1em}}{\hfill⊲\par\vspace{6pt}\song}
\newcommand{\Ker}{\mathrm{Ker}\,}
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\usepackage{lastpage}%此宏包是获取总页数用的。
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\lfoot{科目名称:数学}
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\rfoot{第\thepage 页\quad 共\pageref{LastPage} 页}
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\begin{document}
%\maketitle
%\fancypage{%
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%\shadowbox}{}
[Math Processing Error]
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
[Math Processing Error]}
{\sihao
\begin{Solution}
(陈洪葛)
π216=∫10∫10dxdy(1+x2)(1+y2)=∫10∫101(1+x2)(2+x2+y2)+1(1+y2)(2+x2+y2)dxdy=2∫10∫101(1+x2)(2+x2+y2)dydx=2∫101(1+x2)√2+x2arctan1√2+x2dx=2∫10(π2(1+x2)√2+x2−arctan√2+x2(1+x2)√2+x2)dx=π26−2∫10arctan√2+x2(1+x2)√2+x2dx.
因此
∫10arctan√2+x2(1+x2)√2+x2dx=596π2.
(Xionger)先作一些准备工作.
令t=√x2+2x,我们有
∫+∞1dx(x2+1)√x2+2=∫√31dtt2+1=π12.
令t=1x,我们有
∫+∞1dx(x2+1)√x2+2=∫10t(t2+1)√1+2t2dt=π12.
而
∫+∞0arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=∫+∞0dx(x2+1)√x2+2∫10√x2+21+(x2+2)y2dy=∫10dyy2∫+∞0dx(x2+1)(x2+2+1/y2)=∫10π2⋅1y2+1(1−y√2y2+1)dy=π212.
回到原来的问题.
∫10arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=∫10dx(x2+1)√x2+2∫10√x2+21+(x2+2)y2dy=∫10dyy2∫10dx(x2+1)(x2+2+1/y2)=∫10(π4⋅1y2+1−y(y2+1)√2y2+1arctany√2y2+1)dy=π216−∫10y(y2+1)√2y2+1arctany√2y2+1dy=π216−∫+∞1arctan1√t2+2(t2+1)√t2+2dt(t=1y).
由于
∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx+∫+∞1arctan1√t2+2(t2+1)√t2+2dt=π2∫+∞11(x2+1)√x2+2dx=π224.
进而有
∫10arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=π216−π224+∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=π248+∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx.
因此
⎧⎪⎨⎪⎩∫10arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx−∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=π248,∫10arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx+∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=π212.
故
∫10arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=5π296,∫+∞1arctan√x2+2(x2+1)√x2+2dx=π232.
\end{Solution}
[1] Definitely an Integral: 10884, Zafar Ahmed, Knut Dale and George L. Lamb Jr. The American Mathematical Monthly Vol. 109, No. 7 (Aug. - Sep., 2002), pp. 670-671 (2 pages)
}
{\sihao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem}
(XPS022, Coxeter’s integrals) MSE论坛的Sangchul Lee (以前的昵称SOS 440,韩国首尔大学毕业,目前在UCLA读概率方向的Ph.D)曾研究过以下一系列定积分:
∫π20arccoscosx1+2cosxdx=5π224,∫π30arccoscosx1+2cosxdx=2π215,∫π20arccos11+2cosxdx=π26,∫π30arccos11+2cosxdx=π28,∫arccos130arccos1−cosx2cosxdx=π26,∫π30arccos1−cosx2cosxdx=1172π2,∫π20arccos√cosx1+2cosxdx=π26,∫π30arccos√cosx1+2cosxdx=5π248.
∫π50arccos⎛⎜⎝3+√5−2(√5+2)cosx1+√5−2(√5+3)cosx⎞⎟⎠dx=11π2150,∫3π50arccos⎛⎜⎝3−√5+2(√5−2)cosx1−√5+2(√5−3)cosx⎞⎟⎠dx=61π2150.
\end{theorem}}
{\sihao
[Math Processing Error]
%\textbf{注.}本题的分布函数是比较复杂的,我用如下的方法尝试了进行计算:
[1] H. S. M. Coxeter. The functions of Schlafli and Lobatschefsky. The Quarterly Journal of Mathematics, (1):13–29, 1935.
[2] H. S. M. Coxeter. A challenging definite integral. Am. Math. Mon., 95:330, 1988.
}
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
[Math Processing Error]
}
{\sihao
\begin{Solution}
∣∣∣→E∣∣∣=√3∬Σ:x+y+z=−aσdS4πε0(x2+y2+z2)|x|√x2+y2+z2
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→i⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→j⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|y|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣cos⟨→E,→k⟩=∬Σ:x+y+z=−aσ|z|dS4πε0(x2+y2+z2)32
∣∣→E∣∣=√3∬Σ:x+y+z=−aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32=√3σ4πε0∬Σ:x+y+z=−a|x|(x2+y2+z2)32dS=√3σ4πε0∫0−a∫0−a−y√3|x|(x2+y2+(−a−x−y)2)32dxdy=√3σ4πε0∫0−a∫0−a−y√3|x|(x2+y2+(a+x+y)2)32dxdy=√3σ4πε0∫a0∫a−y0√3x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy=3σ4πε0∫a0∫a−y0x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy
∫a0∫a−y0x(x2+y2+(a−x−y)2)32dxdy=π6
\end{Solution}
}
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{.10,.10,0,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{.75,.75,0,.5}
[Math Processing Error]
}
\end{document}
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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%2015年硕士学位研究生入学考试试题}
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[Math Processing Error]
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} 一个游戏$100$关,每关得花费一分钟,并且有$1/2$的概率通关.如果某一关没过就得从第一关重新开始,概率还是$1/2$通过,求通关时间的期望. \end{theorem}}
{\sihao
[Math Processing Error]
\textbf{注.}本题的分布函数是比较复杂的,我用如下的方法尝试了进行计算:
记通关时间为n≥100.
\begin{enumerate}
\item[(1)] 若n=100,则该玩家必定一口气通过所有的100关,概率为12100;
\item[(2)] 若n=101,则该玩家先跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关,概率为(1−12)12100=12101,即1=1+0;
\item[(3)] 若n=102,则该玩家可能连续两次跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第二关,然后重新开始一口气通过所有的100关.总的概率为22102=12101,即2=1+1=2+0;
\item[(4)] 若n=103,则该玩家可能连续三次跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第二关,然后跪在第一关,接着重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第一关,然后跪在第二关,接着重新开始一口气通过所有的100关;另外一种可能是先跪在第三关,然后重新开始一口气通过所有的100关.总的概率为42103=12101,即3=1+1+1=1+2=2+1=3+0;
\end{enumerate}
如此类推4=1+1+1+1=1+1+2=1+2+1=2+1+1=3+1=1+3=2+2=4+0,总共8种分拆方式.对于更大的n,分拆个数也有此规律,因此我猜测:
\textcolor[rgb]{0.00,0.50,0.00}{对于正整数n,满足题意的整数分拆有2n−1种.}
由此可得N=100+n的概率为
2n−12N=12N+1−n=12101.
故所求期望为
E=1002100+∞∑N=101N2101→∞.
这说明,此款游戏永远不能通过所有关卡,这是荒谬的!
我很迷惑,求助于冯w,他告诉我里面存在一个分拆的问题,比如200=199+1,这意味着玩家首先没通过第199关,然后没通过第1关;然而本游戏只有100关,这就出现了问题!
}
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} 在$(0,1)$上的均匀分布中随机取数,若随机取$n$个数,当它们的求和第一次大于$1$时,就把这个$n$记录下来.求记录下的这个数的期望. \end{theorem}
}
{\sihao
\begin{Solution}
令X1,X2,…,Xn∼U(0,1), S0=0,Sn=X1+X2+⋯+Xn,定义停时
τ=inf{n≥0:Sn>1}.问题转化为求E[Sτ].
我们可知Sn−n/2是一个鞅,因为Sτ∧n≤2,满足最优取样定理的条件,可以得到
E[Sτ−τ/2]=S0=0,因此E[Sτ]=E[τ]/2,只需求E[τ]即可.
考虑到τ是一个在{1,2,3,…}上取值的计数随机变量,其期望为
E[τ]=∞∑n=1nPr(τ=n)=∞∑n=1Pr(τ≥n),
这个公式可以参考钟开莱的《概率论教程》.这里,事件{τ≥n}等价于事件{X1+⋯+Xn−1≤1},考虑正方体A:{(x1,…,xn):0<xi<1}以及单纯形B:{(x1,…,xn):0<xi<1,x1+x2+⋯+xn≤1},利用n重积分知识可计算出B的体积为VB=1n!,因此
E[τ]=∞∑n=1Pr(X1+⋯+Xn−1≤1)=∞∑n=0Pr(X1+⋯+Xn≤1)=∞∑n=0VBVA=∞∑n=01n!=e,
因此所求概率为
E[Sτ]=E[τ]/2=e2.
\end{Solution}
\textbf{注.}可以利用Wald方程证明
E[Sτ]=E[τ]E[Xn]=e2.
}
{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{.10,.10,0,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{.75,.75,0,.5}
\begin{theorem} 在一个圆周上随机取三点,求它们构成钝角三角形的概率. \end{theorem}
}
\end{document}
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