text:
- 138 trang
- Lượt xem: 21084
- Download: 5537
Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê
Chia sẻ: truongbao
Toán cao cấp A1 là học phần đầu tiên của chương trình toán dành cho sinh viên các nhóm ngành thuộc khối kỹ thuật. Để học tốt môn Toán cao cấp theo phương thức Đào tạo từ xa, bên cạnh các học liệu: sách, giáo trình in, băng đĩa hình,
Thể loại:Khoa Học Tự Nhiên » Toán học
Chủ đề liên quan:
Nội dung Text: Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê
TOÁN CAO CẤP (A1)
Biên soạn: TS. VŨ GIA TÊ
Ths. ĐỖ PHI NGA
Giới thiệu môn học
0
1
2 GIỚI THIỆU MÔN HỌC
1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Toán cao cấp A1 là học phần đầu tiên của chương trình toán dành cho sinh
viên các nhóm ngành thuộc khối kỹ thuật. Để học tốt môn Toán cao cấp theo
phương thức Đào tạo từ xa, bên cạnh các học liệu: sách, giáo trình in, băng đĩa
hình,..., sách hướng dẫn cho người học toán cao cấp là rất cần thiết. Tập sách
hướng dẫn này được biên soạn là nhằm mục đích trên. Tập sách được biên soạn
theo chương trình qui định năm 2001 của Bộ Giáo dục Đào tạo và theo đề
cương chương trình được Học viện Công nghệ BC-VT thông qua năm 2004.
Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 bám sát các giáo trình của các trường
đại học kỹ thuật, giáo trình dành cho hệ chính qui của Học viện Công nghệ BC-
VT biên soạn năm 2001 và kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm của tác giả.
Chính vì thế, tài liệu này có thể dùng để học tập và tham khảo cho sinh viên của
tất cả các trường, các ngành đại học và cao đẳng.
Cách trình bày trong sách thích hợp cho người tự học, đặc biệt phục vụ đắc
lực trong công tác đào tạo từ xa. Trước khi nghiên cứu các nội dung chi tiết,
người đọc nên xem phần hướng dẫn của mỗi chương để thấy được mục đích,
yêu cầu chính của chương đó. Trong mỗi chương, mỗi nội dung, người đọc có
thể tự đọc và hiểu được cặn kẽ thông qua cách diễn đạt và chứng minh rõ ràng.
Sau các chương, người đọc phải tự trả lời được các câu hỏi ôn tập. Nhờ các ví
dụ minh hoạ được đưa ra từ đơn giản đến phức tạp, người đọc có thể coi đó là
bài tập mẫu để tự giải các bài tập có trong tài liệu. Người đọc có thể tự kiểm tra,
đánh giá kiến thức, khả năng thu nhận dựa vào phần hướng dẫn và đáp số được
cung cấp ở những trang cuối sách.
Cũng cần nhấn mạnh rằng, nội dung chính của toán cao cấp là phép tính vi
phân và phép tính tích phân mà nền tảng của nó là phép tính giới hạn của hàm
số. Chính vì thế chúng tôi trình bày khá tỉ mỉ hai chương đầu của tài liệu để
người học tự đọc cũng có thể có được các kiến thức vững vàng để đọc tiếp các
chương sau. Trong quá trình tự đọc và học qua mạng, tuỳ theo khả năng tiếp
thu, học viên có thể chỉ cần nhớ các định lý và bỏ qua phần chứng minh của nó.
2
Giới thiệu môn học
Nhân đây tác giả cũng lưu ý rằng ở bậc trung học phổ thông của nước ta,
chương trình toán cũng đã bao hàm các kiến thức về vi, tích phân. Tuy nhiên
các nội dung đó chỉ mang tính chất giới thiệu do lượng thời gian hạn chế, do
cấu tạo chương trình. Vì thế nếu không tự đọc một cách nghiêm túc các định
nghĩa, định lý cũng sẽ vẫn chỉ nắm được một cách hời hợt và như vậy rất gặp
khó khăn trong việc giải các bài tập toán cao cấp.
Sách gồm 5 chương tương ứng với học phần gồm 60 đến 75 tiết:
Chương I: Giới hạn của dãy số.
Chương II: Hàm số một biến số.
Chương III: Phép tính vi phân hàm số một biến số.
Chương IV: Phép tính tích phân.
Chương V: Lý thuyết chuỗi
2. MỤC ĐÍCH MÔN HỌC
Học phần này sẽ cung cấp các kiến thức về phép tính vi, tích phân của hàm
số một biến, số thực và phép tính vi phân của hàm nhiều biến số. Nội dung của
học phần tuân thủ theo quy định về học phần Toán cao cấp A1 của Bộ GD-ĐT
dành cho các Trường thuộc khối ngành công nghệ.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔN HỌC
Để học tốt môn học này, sinh viên cần lưu ý những vấn đề sau :
1- Thu thập đầy đủ các tài liệu :
◊ Bài giảng: Toán cao cấp A1.Vũ Gia Tê, Nguyễn Phi Nga, Học viện
Công nghệ BCVT, 2005.
◊ Sách hướng dẫn học tập và bài tập: Toán cao cấp A1. Vũ Gia Tê,
Nguyễn Phi Nga, Học viện Công nghệ BCVT, 2005.
◊ Bài giảng điện tử: Toán cao cấp A1. Học viện Công nghệ BCVT,
2005.
Nếu có điều kiện, sinh viên nên tham khảo thêm: Các tài liệu tham khảo
trong mục Tài liệu tham khảo ở cuối cuốn sách này.
3
Giới thiệu môn học
2- Đặt ra mục tiêu, thời hạn cho bản thân:
Đặt ra mục các mục tiêu tạm thời và thời hạn cho bản thân, và cố gắng
thực hiện chúng
Cùng với lịch học, lịch hướng dẫn của Học viện của môn học cũng như
các môn học khác, sinh viên nên tự đặt ra cho mình một kế hoạch học tập cho
riêng mình. Lịch học này mô tả về các tuần học (tự học) trong một kỳ học và
đánh dấu số lượng công việc cần làm. Đánh dấu các ngày khi sinh viên phải thi
sát hạch, nộp các bài luận, bài kiểm tra, liên hệ với giảng viên.
Xây dựng các mục tiêu trong chương trình nghiên cứu
Biết rõ thời gian nghiên cứu khi mới bắt đầu nghiên cứu và thử thực hiện,
cố định những thời gian đó hàng tuần. Suy nghĩ về thời lượng thời gian nghiên
cứu để “Tiết kiệm thời gian”. “Nếu bạn mất quá nhiều thì giờ nghiên cứu”, bạn
nên xem lại kế hoạch thời gian của mình.
3- Nghiên cứu và nắm những kiến thức đề cốt lõi:
Sinh viên nên đọc qua sách hướng dẫn học tập trước khi nghiên cứu bài
giảng môn học và các tài liệu tham khảo khác. Nên nhớ rằng việc học thông qua
đọc tài liệu là một việc đơn giản nhất so với việc truy cập mạng Internet hay sử
dụng các hình thức học tập khác.
Hãy sử dụng thói quen sử dụng bút đánh dấu dòng (highline maker) để
đánh dấu các đề mục và những nội dung, công thức quan trọng trong tài liệu.
4- Tham gia đầy đủ các buổi hướng dẫn học tập:
Thông qua các buổi hướng dẫn học tập này, giảng viên sẽ giúp sinh viên
nắm được những nội dung tổng thể của môn học và giải đáp thắc mắc; đồng
thời sinh viên cũng có thể trao đổi, thảo luận của những sinh viên khác cùng
lớp. Thời gian bố trí cho các buổi hướng dẫn không nhiều, do đó đừng bỏ qua
những buổi hướng dẫn đã được lên kế hoạch.
5- Chủ động liên hệ với bạn học và giảng viên:
Cách đơn giản nhất là tham dự các diễn đàn học tập trên mạng Internet.
Hệ thống quản lý học tập (LMS) cung cấp môi trường học tập trong suốt
24 giờ/ngày và 7 ngày/tuần. Nếu không có điều kiện truy nhập Internet, sinh
viên cần chủ động sử dụng hãy sử dụng dịch vụ bưu chính và các phương thức
truyền thông khác (điện thoại, fax,...) để trao đổi thông tin học tập.
4
Giới thiệu môn học
6- Tự ghi chép lại những ý chính:
Nếu chỉ đọc không thì rất khó cho việc ghi nhớ. Việc ghi chép lại chính là
một hoạt động tái hiện kiến thức, kinh nghiệm cho thấy nó giúp ích rất nhiều
cho việc hình thành thói quen tự học và tư duy nghiên cứu.
7- Trả lời các câu hỏi ôn tập sau mỗi chương, bài.
Cuối mỗi chương, sinh viên cần tự trả lời tất cả các câu hỏi. Hãy cố gắng
vạch ra những ý trả lời chính, từng bước phát triển thành câu trả lời hoàn thiện.
Đối với các bài tập, sinh viên nên tự giải trước khi tham khảo hướng dẫn,
đáp án. Đừng ngại ngần trong việc liên hệ với các bạn học và giảng viên để
nhận được sự trợ giúp.
Nên nhớ thói quen đọc và ghi chép là chìa khoá cho sự thành công của
việc tự học!
5
Chương 1: Giới hạn của dãy số
1.
2. CHƯƠNG I: GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ
1.1 MỤC ĐÍCH
Trong nhiều vấn đề lý thuyết cũng như thực tế, người ta phải xét những đại
lượng mà trong quá trình biến thiên đại lượng đó lấy những giá trị rất gần đến
một hằng số a nào đấy. Trong quá trình này, ta gọi đại lượng đang xét là dần
đến a hay có giới hạn là a. Như vậy đại lượng có giới hạn là a có thể đạt được
giá trị a và cũng có thể không bao giờ đạt được giá trị a, điều này trong quá
trình tìm giới hạn không cần quan tâm đến.
Ví dụ:
1. Gọi x là biên độ của một con lắc tắt dần. Rõ ràng trong quá trình dao
động, biên độ của nó giảm dần tới 0 và thực tế sau khoảng thời gian xác định
con lắc dừng lại, ta nói rằng x có giới hạn là 0 trong quá trình thời gian trôi đi.
n
2. Xét dãy số (un) có dạng un = . Quá trình n tăng lên mãi thì un tăng
n +1
dần về số rất gần 1. Nói rằng dãy số có giới hạn là 1 khi n tăng lên vô cùng.
Giới hạn là một khái niệm khó của toán học. Khái niệm giới hạn được cho
bởi từ “gần”, để mô tả định tính. Còn định nghĩa chính xác của nó cho bởi cụm
từ “ bé hơn ε ” hoặc “lớn hơn M” để mô tả định lượng sẽ được giới thiệu trong
chương này. Khi đã hiểu được khái niệm giới hạn thì sẽ dễ dàng hiểu được các
khái niệm đạo hàm, tích phân. Bởi vì các phép toán đó đều xuất phát từ phép
tính giới hạn.
Trong mục thứ nhất cần hiểu được vai trò thực sự của số vô tỉ. Nhờ tính
chất đầy của tập số thực mà người ta có thể biểu diễn tập số thực trên trục số -
gọi là trục thực và nói rằng tất cả các số thực lấp đầy trục số. Nói khác đi có sự
tương ứng 1-1 giữa các số thực và các điểm trên trục số. Cũng nên nhận xét
được tập Q không có tính đầy. Học viên cần nắm chắc khái niệm trị tuyệt đối
của một số thực và các phép tính về nó.
Trong mục thứ hai cần hiểu được vai trò của số phức về mặt lý thuyết cũng
như ứng dụng sau này trong kỹ thuật. Thực chất một số phức z là một tương
ứng 1-1 với cặp có thứ tự các số thực (x,y). Cần phải nắm vững khái niệm
7
Chương 1: Giới hạn của dãy số
modul và acgumen của số phức và các dạng biểu diễn số phức: dạng đại số,
dạng lượng giác, dạng hàm mũ. Từ đó có thể làm thông thạo các phép tính trên
tập C, đặc biệt dùng công thức Moivre trong các ứng dụng vào lượng giác.
Trong mục thứ ba cần nắm vững khái niệm hội tụ, có giới hạn và phân kỳ
của dãy số. Nắm vững các tính chất: bị chặn, không bị chặn, đơn điệu của dãy
số. Nhờ vào các tính chất này mà thiết lập được các điều kiện cần, điều kiện đủ
để dãy số có giới hạn. Khái niệm dãy con của một dãy số cũng là một khái niệm
khó. Người học phải đọc kỹ định nghĩa và cố gắng hình dung để hiểu rõ khái
niệm này. Đôi khi sự hội tụ hay phân kỳ của một dãy số có thể nhận biết nhờ
vào tính chất của vài dãy con. Đặc biệt phải nắm được khái niệm hai dãy kề
nhau để từ đó có khái niệm về các đoạn lồng nhau được dùng trong chứng minh
định lý Bolzano-Weierstrass.
1.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
1.2.1 Số thực
a. Các tính chất cơ bản của tập số thực.
Tất cả các số hữu tỉ và số vô tỉ tạo thành tập hợp số thực.
Kí hiệu tập số thực là R. Tập số vô tỉ là R\Q.
Tính chất 1: Tập R là một truờng giao hoán với hai phép cộng và nhân: (R,
+ , .).
1. ∀a, b ∈ R, a + b ∈ R, a.b ∈ R
2. ∀a, b, c ∈ R, (a + b) + c = a + (b + c), (a.b)c = a (bc)
3. ∀a, b ∈ R, a + b = b + a, ab = ba
4. R có phần tử trung hoà đối với phép cộng là 0 và đối với phép nhân là 1
∀a ∈ R , a + 0 = 0 + a = a
a.1 = 1.a = a
5. Phân phối đối với phép cộng
∀a, b, c ∈ R, a (b + c) = ab + ac
(b + c ) a = ba + ca
6. Tồn tại phần tử đối của phép cộng
∀a ∈ R, ∃( − a ), a + ( − a ) = 0
Tồn tại phần tử nghịch đảo của phép nhân
8
Chương 1: Giới hạn của dãy số
∀a ∈ R * , R * = R \ {0}, ∃a −1 , a.a −1 = 1
Tính chất 2: Tập R được xếp thứ tự toàn phần và đóng kín đối với các
số thực dương.
1. ∀a, b ∈ R, a < b hoặc a = b hoặc a > b
∀a, b, c ∈ R, a ≤ b ⇒ a + c ≤ b + c
2.
∀a, b ∈ R, c ∈ R+ , a ≤ b ⇒ ac ≤ bc
3. ∀a, b ∈ R+ , a + b ∈ R+ , ab ∈ R+
Tính chất 3: Tập R là đầy theo nghĩa sau đây: Mọi tập con X không
rỗng của R bị chặn trên trong R đều có một cận trên đúng thuộc R và
mọi tập con không rỗng X của R bị chặn dưới trong R đều có một cận
dưới đúng thuộc R.
b. Tập số thực mở rộng
Người ta thêm vào tập số thực R hai phần tử kí hiệu là − ∞ và + ∞ . Tập số
thực mở rộng kí hiệu là R và R = R ∪ {− ∞,+∞}, các phép toán + và ., quan hệ thứ tự
được định nghĩa như sau:
x + ( +∞ ) = ( +∞) + x = +∞
1. ∀x ∈ R
x + (−∞ ) = (−∞) + x = −∞
( +∞) + (+∞ ) = +∞
2.
( −∞) + (−∞ ) = −∞
3. ∀x ∈ R+ , R+ = {x ∈ R, x > 0}
* *
x(+∞ ) = (+∞ ) x = +∞
x(−∞ ) = (−∞ ) x = −∞
∀x ∈ R− , R− = {x ∈ R, x < 0}
* *
x( +∞ ) = (+∞ ) x = −∞
x(−∞ ) = (−∞ ) x = +∞
( +∞ )(+∞) = (−∞ )(−∞) = +∞
4.
(+∞ )(−∞) = (−∞ )(+∞) = −∞
− ∞ < x < +∞
5. ∀x ∈ R − ∞ ≤ −∞
+ ∞ ≤ +∞
c. Các khoảng số thực
Cho a, b ∈ R và a ≤ b .Trong R có chín loại khoảng sau đây:
9
Chương 1: Giới hạn của dãy số
[a, b] = {x ∈ R; a ≤ x ≤ b} được gọi là đoạn hay khoảng đóng bị chặn
[a, b ) = {x ∈ R; a ≤ x < b}
được gọi là khoảng nửa đóng hoặc nửa mở
(a, b] = {x ∈ R; a < x ≤ b}
[a,+∞ ) = {x ∈ R; a ≤ x}
(− ∞, a] = {x ∈ R; x ≤ a}
(a, b ) = {x ∈ R; a < x < b} được gọi là các khoảng mở
(a,+∞ ) = {x ∈ R; a < x}
(− ∞, a ) = {x ∈ R; x < a}
Các số thực a,b gọi là các mút của khoảng.
d. Giá trị tuyệt đối của số thực
Định nghĩa: Giá trị tuyệt đối của số thực x, kí hiệu x là một số thực
không âm xác định như sau
⎧
⎪x khi x ≥ 0
⎪
x =⎨
⎪− x khi x ≤ 0
⎪
⎩
Tính chất
1. ∀x ∈ R, x = Max( x,− x)
2. x = 0 ⇔ x = 0
3.
∀x, y ∈ R, xy = x y
n n
∀n ∈ N ,*
∀x1 , x 2 , x3 , K , x n ∈ R, ∏ xi = ∏ xi
i =1 i =1
n
∀x ∈ R, x n = x
1 1
4. ∀x ∈ R * , =
x x
5.
10
Chương 1: Giới hạn của dãy số
∀x, y ∈ R, x + y ≤ x + y
n n
∀n ∈ N * , ∀x1 , x 2 ,K , x n ∈ R, ∑ xi ≤ ∑ xi
i =1 i =1
6.
1
∀x, y ∈ R, Max( x, y ) = (x + y + x − y )
2
1
Min( x, y ) = (x + y − x − y )
2
7. ∀x, y ∈ R, x − y ≤ x− y
e. Khoảng cách thông thường trong R
Định nghĩa: Khoảng cách trong R là ánh xạ
d : R× R → R
( x, y ) a x− y
Đó là hình ảnh trực quan về khoảng cách giữa 2 điểm x và y trên đường
thẳng trục số thực R.
Tính chất
1. d (x, y ) = 0 ⇔ x = y
2. ∀x, y ∈ R, d ( x, y ) = d ( y , x )
3. ∀x, y, z ∈ R, d ( x, z ) ≤ d ( x, y ) + d ( y, z )
4. ∀x, y, z ∈ R, d (x, y ) − d (x, z ) ≤ d ( y, z )
1.2.2 Số phức
a. Định nghĩa:
Cho (x, y ) ∈ R 2 ,một số biểu diễn dưới dạng z=x+iy,trong đó i 2 = −1 gọi là
một số phức.Tập các số phức kí hiệu là C.
Gọi x là phần thực của z, kí hiệu Rez =x
y là phần ảo của z,kí hiệu là Imz =y
Gọi môđun của z,kí hiệu z xác định bởi số thực không âm
z = x2 + y2 = r ≥ 0
11
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Gọi Acgumen của z ,kí hiệu Argz xác định bởi số thực
⎧ x y⎫
Argz= θ ∈ R; ⎨θ ∈ R; cos θ = và sin θ = ⎪ ,
⎬ với z ≠ 0
z z⎪
⎩ ⎭
Như vậy Acgumen của z sai khác nhau k 2π , k ∈ Z và Arg0 không xác định.
Vậy số phức z có các dạng viết:
1. z =x+iy gọi là dạng chính tắc hay dạng đại số của số phức z .
2. z = r (cosθ + i sin θ ) gọi là dạng lượng giác của số phức z.
b. Các phép toán trên tập C
Phép so sánh bằng nhau
⎧x = x '
( ' '
)
∀ x, y , x , y ∈ R , 4 ' ⎪
x + iy = x + iy ⇔ ⎨ '
⎪y = y'
⎩
Phép lấy liên hợp
Cho z = x + iy ∈ C ,liên hợp của z,kí hiệu z cho bởi z = x − iy
Phép lấy số phức đối
Cho z=x+iy∈ C,số phức đối của z, kí hiệu –z (đọc là trừ z ) được xác định:
-z = -x-iy
Phép cộng
Cho z = x+iy,z’= x’+iy’,tổng của z và z’,kí hiệu z+z’ xác định như sau:
z+z’=(x+x’)+i(y+y’)
Phép nhân
Cho z=x+iy và z’=x’+iy’,tích của z và z’,kí hiệu z.z’ xác định như sau:
z.z’=(xx’-yy’) + i(xy’+x’y)
Phép trừ và phép chia
Là các phép tính ngược của phép cộng và phép nhân
z − z ' = z + (− z ' )
z
= z" ⇔ z = z '.z"
z'
Phép luỹ thừa,công thức Moavrờ ( Moivre)
Cho z = r (cosθ + i sin θ ), ∀k ∈ Z
Gọi z k là luỹ thừa bậc k của z. Bằng qui nạp ,dễ chứng minh được
z k = r k (cos kθ + i sin kθ )
12
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Phép khai căn bậc n của z ∈C* .
Cho n ∈ N * , z = r (cosθ + i sin θ ) . Gọi ς ∈ C * là căn bậc n của z, kí hiệu n z ,xác
định như sau: ςn = z
1
⎧ρ n = r
Nếu gọi ρ = ς và Φ = Arg ς thì ⎨ hay là ρ = r n và
⎩nΦ = θ + 2kπ
Φ= θ + 2kπ với k = 0,1,2,..., n − 1 .
n
Vậy số z có đúng n căn bậc n, đó là các số phức có dạng:
θ + 2kπ θ + 2kπ ⎞
1
⎛
ς = r ⎜ cos
n
+ i sin ⎟ k = 0,1,2,..., n − 1
⎝ n n ⎠
c. Áp dụng số phức vào lượng giác
Khai triển cos nθ , sin nθ , tgnθ
Cho θ ∈ R, n ∈ N * .Áp dụng công thức Moivre và công thức nhị thức Newton
n
cos nθ + i sin nθ = (cosθ + i sin θ ) = ∑ Cn cos n − k θ .i k sin k θ
kn
k =0
1. cos nθ biểu diễn dưới dạng một đa thức của cosθ ,gọi đó là công
thức Chebyshev loại 1.
2. sin nθ bằng tích của sin θ với một đa thức của cosθ ,gọi là đa thức
Chebyshev loại 2.
sin nθ
sin nθ Cntgθ − Cn tg 3θ + L
1 3
= cos θ =
n
3. tgnθ =
cos nθ cos nθ 1 − Cn tg 2θ + Cn tg 4θ − L
2 4
cos n θ
Tuyến tính hoá cos p θ , sin p θ , cos p θ .sin q θ
⎧ 1
⎪2 cosθ = ω + ω = ω + ω
⎪
Cho θ ∈ R , p ∈ N * , ω = e iθ ⇒ ⎨
⎪2i sin θ = ω − ω = ω − 1
⎪
⎩ ω
p p
⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
Vậy 2 p cos p θ = ⎜ ω + ⎟ và (2i )p sin p θ = ⎜ω − ⎟
⎝ ω⎠ ⎝ ω⎠
Sử dụng công thức nhị thức Newton và xét các trường hợp sau đây:
13
Chương 1: Giới hạn của dãy số
a. Trường hợp p = 2m, m ∈ N *
⎛ 1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎞
2 2 m cos 2 m θ = ⎜ ω 2 m + 2 m ⎟ + C 2 m ⎜ ω 2 m − 2 + 2 m − 2 ⎟ + L + C 2 m
m
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2 cos 2mθ + 2C 2 m cos 2(m − 1)θ `+ L + 2C 2 m 1 cos 2θ + C 2 m
1 m− m
⎛ 1 m m −1 k ⎞
cos 2 m θ = 2 −( 2 m −1) ⎜ C 2 m + ∑ C 2 m cos 2(m − k )θ ⎟
⎝2 k =0 ⎠
⎛ 1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎞
22 m (−1) m sin 2 m θ = ⎜ ω 2 m + 2 m ⎟ − C2 m ⎜ ω 2 m − 2 + 2 m − 2 ⎟ + L + (−1) m C2 m
m
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2 cos 2mθ − 2C2 m cos 2(m − 1)θ + L + (−1) m C2 m
1 m
m ⎛ ( −1) ⎞
m m −1
sin 2 m θ = 2− ( 2 m −1) (− 1) ⎜⎜ 2 C2 m + ∑ (−1) k C2 m cos 2(m − k )θ ⎟
m k
⎟
⎝ k =0 ⎠
b.Trường hợp p = 2m + 1, m ∈ N
⎛ 1 ⎞ ⎛⎛ 1 ⎞⎞ ⎛ 1⎞
2 2 m+1 cos 2 m+1 θ = ⎜ ω 2 m+1 + 2 m+1 ⎟ + C 2 m+1 ⎜ ⎜ ω 2 m−1 + 2 m−1 ⎟ ⎟ + L + C 2 m+1 ⎜ ω + ⎟
1
⎜ ⎟
m
⎝ ω ⎠ ⎝⎝ ω ⎠⎠ ⎝ ω⎠
= 2 cos(2m + 1)θ + 2C 2 m+1 cos(2m − 1)θ + L + 2C 2 m+1 cosθ
1 m
m
cos 2 m+1 θ = 2 −2 m ∑ C 2 m+1 cos(2m + 1 − 2k )θ
k
k =0
⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
22 m +1 i (−1) m sin 2 m +1 θ = ⎜ ω 2 m +1 + 2 m +1 ⎟ − C2 m +1 ⎜ ω 2 m + − − 2 m −1 ⎟ + L
1
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2i sin(2m + 1)θ − 2i.C2 m +1 sin(2m − 1)θ + L + 2i (−1) m C2 m +1 sin θ
1 m
m
sin 2 m +1 θ = 2− 2 m (− 1) ∑ (−1) C2 m +1 sin(2m + 1 − 2k )θ
m k k
k =0
Để tuyến tính hoá cos θ. sin q θ trước hết tuyến tính hoá từng thừa số
p
cos p θ , sin q θ , sau đó thực hiện phép nhân rồi cùng tuyến tính hoá các số hạng
thu được.
1.2.3 Dãy số thực
a. Các khái niệm cơ bản của dãy số thực
Định nghĩa
Một dãy số thực là một ánh xạ từ N vào R,kí hiệu:
u:N →R
hay đơn giản nhất,kí hiệu (un)
14
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Với n = n0 ∈ N xác định, un gọi là số phần tử thứ n0 của dãy,un thường là một
0
biểu thức phụ thuộc vào n gọi là phần tử tổng quát của dãy,chẳng hạn cho các
⎛ ⎛ 1 ⎞n ⎞
dãy sau đây: (1), ((−1) ),
n +1 ⎛1⎞
⎜ ⎟, ⎜ ⎜1 + ⎟ ⎟
⎜⎝ n ⎠ ⎟
⎝n⎠ ⎝ ⎠
Sự hội tụ, sự phân kì của dãy số
1. Dãy (un) hội tụ về a ∈ R nếu
∀ε > 0, ∃n0 ∈ N , ∀n ∈ N , n > n0 ⇒ un − a < ε
Kí hiệu lim un = a ,
n→∞
rõ ràng (un-a) hội tụ về 0.
2. Dãy (un) hội tụ nếu có số a ∈ R để lim un = a
n→∞
3. Dãy (un) phân kì nếu nó không hội tụ,nghĩa là:
∀a ∈ R, ∃ε > 0, ∀n ∈ N , ∃n0 ∈ N , n0 > n, un − a ≥ ε
4. Dãy (un) nhận +∞ làm giới hạn nếu
∀A > 0, ∃n0 ∈ N , ∀n > n0 ⇒ un > A
Kí hiệu lim un = +∞ ,
n→∞
đôi khi nói rằng (un) tiến tới + ∞
5. Dãy (un) nhận -∞ làm giới hạn nếu
∀B < 0 ∃n0 ∈ N , ∀n > n0 ⇒ un < B .
Kí hiệu lim un = −∞
n→∞
Dãy có giới hạn là +∞ hoặc -∞ cũng gọi là phân kỳ.
Dãy số bị chặn
1. Nói rằng (un) bị chặn trên bởi số A∈ R nếu ∀n ∈ N , un ≤ A .
2. Nói rằng (un) bị chặn dưới bởi số B∈R nếu ∀n ∈ N , un ≥ B .
3. Nói rằng (un) là dãy bị chặn nếu tồn tại M ∈ R+ sao cho ∀n ∈ N , un ≤ M .
b. Tính chất của dãy hội tụ
Tính duy nhất của giới hạn
Định lí: Dãy (un) hội tụ về a thì a là duy nhất
Tính bị chặn
1. Dãy (un) hội tụ thì bị chặn trong R.
2. Dãy (un) tiến đến +∞ thì bị chặn dưới.
15
Chương 1: Giới hạn của dãy số
3. Dãy (un) tiến đến -∞ thì bị chặn trên.
Tính chất đại số của dãy hội tụ
1. n →∞ un = a ⇒ n →∞ un = a .
lim lim
2. n →∞ un = 0 ⇔ n →∞ un = 0 .
lim lim
3. lim un = a, lim vn = b ⇒ lim (un + vn ) = a + b
n→∞ n→∞ n→∞
.
4. lim un = a ⇒ lim λun = λa
n →∞ n→∞
.
5. lim un = 0,
n→∞
(vn) bị chặn ⇒ lim (un vn ) = 0 .
n→∞
6. lim un = a, lim vn = b ⇒ lim (un vn ) = ab .
n→∞ n→∞ n→∞
un a
7. lim un = a, lim vn = b ≠ 0 ⇒ lim = .
n→∞ n→∞ n →∞ vn b
Tính chất về thứ tự và nguyên lý kẹp
1. Giả sử lim un = l ∈ ( a, b) .Khi
n→∞
đó ∃n0 , ∀n > n0 ⇒ a < un < b
2. Giả sử lim un = l
n→∞
và ∃ n0, , ∀n > n0 có a ≤ un ≤ b khi đó a ≤ l ≤ b
3. Giả sử 3 dãy (un),(vn),(wn) thoả mãn:
∃n0 , ∀n > n0 ⇒ un ≤ vn ≤ wn và lim un = lim wn = a
n→∞ n→∞
Khi đó lim vn = a
n →∞
4. Giả sử ∀n > n0 mà un ≤ vn và lim un = +∞ .Khi
n→∞
đó lim vn = +∞
n →∞
c. Tính đơn điệu của dãy số
Dãy đơn điệu
1. Dãy (un) tăng nếu ∀n ∈ N , un ≤ un +1 ,
Dãy (un) tăng ngặt nếu ∀n ∈ N , un < un +1 .
2. Dãy (un) giảm nếu ∀n ∈ N , un ≥ un +1 ,
Dãy (un) giảm ngặt nếu ∀n ∈ N , un > un +1 .
3. Dãy (un ) đơn điệu nếu nó tăng hoặc giảm.
Dãy (un ) đơn điệu ngặt nếu nó tăng ngặt hoặc giảm ngặt
Định lí 1:
16
Chương 1: Giới hạn của dãy số
1. Mọi dãy tăng và bị chặn trên thì hội tụ.
2. Mọi dãy giảm và chặn dưới thì hội tụ.
Định lí 2:
1. Dãy (un) tăng và không bị chặn trên thì dần đến + ∞ .
2. Dãy (un) giảm và không bị chặn dưới thì dần đến −∞.
Dãy kề nhau
Hai dãy (un),(vn) gọi là kề nhau khi và chỉ khi (un) tăng (vn) giảm và
lim (vn − un ) = 0
n→∞
Định lí: Hai dãy kề nhau thì hội tụ và có chung một giới hạn l, ngoài ra
∀n ∈ N , un ≤ un +1 ≤ l ≤ vn +1 < vn
Hệ quả: (Định lí về các đoạn lồng nhau)
Cho hai dãy (an),(bn) thoả mãn : ∀n ∈ N , an ≤ bn , [an +1 , bn +1 ] ⊂ [an , bn ] và
lim (bn − an ) = 0
n→∞
Khi đó tồn tại duy nhất số l sao cho I [a , b ] = {l}
n n
n∈ N
d. Dãy con
Cho (un),từ các số hạng của nó lập một dãy mới (un k ) với n1 < n2 < ...
0, b0 > 0
19
Chương 1: Giới hạn của dãy số
a) Chứng tỏ rằng an >0, bn >0 ∀n ∈ N .
b) Biểu diễn xn+1 qua xn.
c) Tính xn+1 - xn và chứng tỏ rằng (xn) đơn điệu. Hãy tìm lim xn
n →∞
Câu 10. Chứng tỏ rằng các dãy sau có giới hạn hữu hạn
1 1 1 1
a) x n = 1 + 2
+L+ 2 . b) x n = +L+ .
2 n 2! n!
Câu 11. Chứng tỏ các dãy sau có giới hạn là + ∞
1 1
a) x n = 1 + +L+ .
2 n
2 3 n +1
b) x n = log a + log a + L + log a , a>1.
1 2 n
Câu 12. Tìm giới hạn của dãy sau:
2
a) x n = + 1 , x0 = 1 .
x n −1
b) x n = 1 + x n −1 , x0 = 3 .
c) xn(3 + xn-1) + 1 = 0, x0 = 1.
d) x n = a + x n −1 (n > 1), x1 = a , a >0.
x n + x n −1
e) x n +1 = , x1 = 0, x2 = 1.
2
1 x 2 −1 1
f) x n = + n , x1 = .
2 2 2
5 + x 2 −1
g) x n = n
, x1 > 5.
2x n −1
Câu 13. Chứng minh rằng một dãy đơn điệu có giới hạn nếu nó có một dãy
con có giới hạn.
Câu 14. Chứng minh rằng nếu ba dãy con (x2n), (x2n+1) và (x3n) hội tụ thì dãy
(xn) hội tụ.
Có thể thay số 2 bởi số tự nhiên k >2 được không?.
x n +1
Câu 15. Nếu x n → a (hữu hạn hay vô hạn).Có thể nói gì về lim .
n →∞
xn
20
Chương 1: Giới hạn của dãy số
SỐ PHỨC
Câu 1. Cho E,F,G,H ⊂ R 2 , xác định bởi các hệ thức sau:
x y
E: x 2 − y2 = . F: 2xy + = 3.
x + y2 2
x + y2
2
G: x3 - 3xy2 +3y = 1. H: 3x2y - 3x -y3 =0.
Chứng minh E ∩ F = G ∩H.
Câu 2. Có tồn tại ( z 1 , z 2 ) ∈ C 2 để thoả mãn các điều kiện dưới đây không?
z1 + z2 =1 , z12 + z22 = 2 , z13 + z23 = 3.
Câu 3. Tìm tất cả các ( x, y, z ) ∈ C 3 sao cho
⎧ x, y, z Khác nhau từng đôi một
⎨
⎩ x( x − 1) + 2 yz = y ( y − 1) + 2 xz = z ( z − 1) + 2 x
Câu 4. Giải hệ phương trình với ẩn ( x, y, z) ∈ C 3
xy = z , yz = x , zx = y.
Câu 5. Cho ánh xạ f: C → C thoả mãn
⎧∀x ∈ R, f ( x) = x
⎪
⎨ ⎧f(z + z' ) = f(z) + f(z' )
⎪∀( z , z ' ) ∈ C , ⎨ f ( zz ' ) = f ( z ). f ( z ' )
2
⎩ ⎩
f ( z ) = z ∀z ∈ C
Chứng minh [
f ( z ) = z ∀z ∈ C
Câu 6. Giải phương trình với ẩn số z∈ C
2z + 6 z = 3 + 2i
Câu 7. Xác định tập các số phức z ∈ C sao cho z = r0 z , r0∈ R
Câu 8. Với (a,b,c)∈ C 3 thoả mãn a a = b b = cc = 1 và a+b+c = 0. Chứng
minh a3 = b3 =c3
Câu 9. Chứng minh ∀(z, z' ) ∈ C 2
2 2 2 2
a. z + z' + z − z' = 2( z + z' ) (Hằng đẳng thức hình bình hành).
2 2 2 2
b. zz' + 1 + z − z' = (1 + z )(1 + z' ) .
2 2 2 2
c. zz' − 1 − z − z' = (1 − z )(1 − z' ) .
1 2 2 2 2
d. zz' = ( z + z' − z − z' + i z + i z' − i z − i z' ) .
4
21
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n n
Câu 10. Cho n ∈ N * , (z1,...,zn) ∈ C n .Chứng minh ∑ zk = ∑ zk
k =1 k =1
khi và chỉ
khi ∃u ∈ C , ∃(α 1 ,..., α n ) ∈ R+n , z k = α k .u, k = 1, n
Câu 11. Chứng minh ∀(a , b) ∈ C 2
2 2 2
a. a + b ≤ (1 + a )(1 + b ) . Khi nào xảy ra đẳng thức?
b. 2a b a −b ≥ (a + b)ab −ba
d−a d−b
Câu 12. Cho a,b,c,d∈ C khác nhau từng đôi một sao cho và là
b−c c−a
d−c
những số thuần ảo. Chứng minh rằng cũng thuần ảo.
a−b
Câu 13. Xác định tập hợp các điểm M có toạ vị z thoả mãn điều kiện:
a. z = 2 z − 1 .
z2
b. ∈ iR .
z+i
Câu 14. Tính Sup z 3 − z + 2
z =1
Câu 15. Với a ∈ R ,ẩn (x,y)∈ R 2 . Tìm nghiệm của hệ
⎧cos a + cos(a + x ) + cos(a + y) = 0
⎨
⎩sin a + sin(a + x ) + sin(a + y) = 0
Câu 16. Giải các phương trình sau trên trường số phức:
a. z2 - 2zcos θ +1 = 0 , θ ∈ R .
b. z3 - (1- 2i)z2 + (1-i)z -2i = 0, biết rằng phương trình có một nghiệm
thuần ảo.
Câu 17. Giải các phương trình với ẩn số (x,y,z)∈ C 3
⎧x = y 2
⎧( x + y)( x − y ) = 819
3 3
⎪
a. b. ⎨y = z
2
⎨
⎩( x − y)( x + y ) = 399
3 3
⎪z = x 2
⎩
Câu 18. Chứng minh với α ∈ R
1 + itgα n 1 + itgnα
a. ( ) = .
1 − itgα 1 − itgnα
1
b. zm + z-m = 2cosm α nếu z + = 2 cos α .
z
22
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n
Câu 19. Cho (n,x) ∈ N * × R , tính S= ∑ cos
k=0
3
kx .
Câu 20. Với ( n, x ) ∈ N × ( R − 2πZ ) tính các tổng:
n n
a. A n (x) = ∑ e ikx . b. B n (x) = ∑ A k (x) .
k=−n k =0
1.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG I
SỐ THỰC
Câu 2. Rút gọn về dạng toàn phương bằng phương pháp Gauss
a. (0,0,0).
3
b. ( 3z, z ,z) , z∈ R hoặc (6t, 3t, 2t) ,t∈ R .
2
Câu 3. Không tồn tại InfE , SupE = -1 = MaxE
1
Câu 4. a) 1; b) ; c) 0; d) 0
4
1 a
Câu 5. a) ; b) ; c) 0; d) 0
2 2
3
Câu 6. a) 1; b) ; c) 1;
2
Câu 7. Hãy biểu diễn tam thức dưới dạng chính tắc, sau đó sử dụng nguyên
lý kẹp.
Câu 8. a) Dùng phương pháp phản chứng.
b) Chứng minh (xn) tăng và không bị chặn trên.
2x n + 3
Câu 9. a) Dùng qui nạp. b) xn =
xn + 2
( 3 − x n )( 3 + x n )
c) xn+1 - xn =
xn + 2
Bằng qui nạp chứng minh:
* Nếu x0 < 3 thì (xn) tăng và xn < 3 ∀n . Qua giới hạn sẽ có xn → 3
* Nếu x0 > 3 thì (xn) giảm và xn > 3 ∀n . Qua giới hạn sẽ có xn → 3
* Nếu x0 = 3 thì xn = 3 ∀n .
Tóm lại lim x n = 3 không phụ thuộc x0,tức là không phụ thuộc a0,b0.
n →∞
23
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Câu 10.
1 1 1
a) Rõ ràng xn < xn+1 và xn < 1 + +L+ = 2 − < 2, ∀n > 1
1.2 (n − 1)n n
b) Tương tự a)
Câu 11. a) xn > n
b) xn = log a (n + 1)
Câu 12.
a) Rõ ràng xn >1 ∀n ∈ N * , ta có biểu diễn
x n−2 x n −1 − 2
xn = +1 và xn+1 - 2 = , ∀n
2 + x n−2 x n −1 + 2
Suy ra : (x2n) tăng và bị chặn trên bởi số 2.
(x2n+1) giảm và bị chặn dưới bởi số 2.
Lý luận sẽ nhận được lim x n = 2
n →∞
b) Qui nạp sẽ nhận được dãy (xn) đơn điệu giảm và bị chặn dưới bởi số 0,
suy ra
1
lim x n = a ≥ 0 , ta có a2 = 1+ a ⇒ a = (1 + 5)
n →∞
2
1
c) Bằng qui nạp chứng minh được − (3 − 5 ) < x n < 0, ∀n ≥ 1 ngoài ra
2
x n − x n −1
xn+1 - xn =
(3 + x n −1 )(3 + x n )
Vậy (xn) đơn điệu giảm và bị chặn dưới do đó
1
lim x n = a = − (3 − 5 )
n →∞
2
d) Bằng qui nạp chứng minh xn < xn+1 và xn < a + 1 ∀n
1 + 1 + 4a
Đặt lim x n = b, b=
n→∞ 2
x1 + x 0 x + x1
e) x2 = , x3 = 2 ,...
2 2
1 1
x2 - x1 = (x0 - x1), x3 - x2 = (x1 - x2), ...
2 2
x 2 − x1
Bằng qui nạp chứng minh xk - xk-1 = ( −1) k − 2 , k≥2
2 k −2
24
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n−2
Cộng liên tiếp xn - x1 = (x2 -x1)[ 1 − 1 + 12 + ... + (−1)−2 ]
n
2 2 2
x 2 − x1
2 n-2
= (x2 - x1) - (-1) 3.2 n − 2
3
2x 2 − x 1 x −x
xn = − (−1) n − 2 2 n − 2 1
3 3.2
2
lim x n =
n →∞ 3
f) Rõ ràng xn > 0 ∀n , bằng qui nạp chứng minh được (xn) đơn điệu tăng
và
1 a2
xn< 1 ∀n lim x n = a = +
n →∞ 2 2
g) xn = 1 ( 5
+ x n −1 ) ≥ 5 , ∀n . Suy ra xn > xn+1. Vậy tồn tại a = lim x n và
2 x n −1 n→∞
suy ra a = 5.
SỐ PHỨC
Câu 1. Đặt z = x + iy, (x,y) ∈ R 2
y x 1
(x,y) ∈ E ∩ F ⇔ x2 - y2 + i(2xy + )= 2 + 3i ⇔ z 2 = + 3i
x +y
2 2
x +y 2
z
⎧ x 3 − 3 xy 2 + 3 y = 1
⎪
⇔⎨ 2 ⇔ ( x, y ) ∈ G ∩ H
⎪3 x y − 3x − y 3 = 0
⎩
Câu 2. Không
Câu 3. Không tồn tại.
⎧ xyz( xyz − 1) = 0
⎪ (0,0,0), (1,1,1)
⎪
Câu 4. ⎨
⎪ xy = z, yz = x, zx = y ⇒ (1,-1,-1), (-1,1,-1)
⎪
⎩ (−1,−1,1)
Câu 5. Xét (f(i))2 = f(i2) = f(-1) =-1 ⇒ f(i) = ε i ε = {±1}
Xét (x,y)∈ R 2 ,f(x+iy) = f(x) +f(iy) = f(x) + f(i)f(y) = x + ε iy
Kiểm tra f(z) = z hoặc f(z) = z thoả mãn.
3 1
Câu 6. z = − i
8 2
25
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Câu 7. z ∈ R ∪ iR
1 1 1 bc + ca + ab
Câu 8. a+b+c = 0⇒ + + = = 0 ⇒ a 2 = − a (b + c) = bc
a b c abc
⇒ a 3 = abc
Do tính đối xứng suy ra a3 = b3 = c3
2
Câu 9. Áp dụng: ∀z ∈ C thì z = z z và các tính chất của phép lấy liên hợp.
Câu 10. Qui nạp theo n.
2
Câu 11. a) Xét (1+ a 2 )(1 + b 2 ) − a + b 2 = 1 + a 2 b 2 − ab − ab = 1 − ab
a
1 − ab = 0 ⇔ a ≠ 0 và b = 2
a
b) a = 0 hoặc b =0 đúng
a −b
Xét a ≠ 0, b ≠ 0 : Đặt u = ,v = . Bất đẳng thức đã cho tương
a b
đương với
a b 1
u+ v≥ u+v
a+b a+b 2
a 1 1
Kí hiệu λ = ∈ (0,1) m= (u + v), d = (v − u )
a+b 2 2
Vậy qui về m + (1 − 2λ )d ≥ m
1 2 2
Chú ý rằng Re(m d) = Re( (u v − uv)) = 0 vì u = v = 1
4
d−a 1
Câu 12. Ta có = (d − a )(b − c) thuần ảo ⇒ (d − a )( b − c) thuần
b−c b−c2
ảo.
Mặt khác ta có số thuần ảo s = ( b a − a b)(cb − bc)(a c − ca )
= ( d − a )(b − c ) + ( d − b)(c − a ) + ( d − c )( a − b)
Suy ra điều phải chứng minh.
4 2
Câu 13. a) Đường tròn tâm (0, ) và bán kính
3 3
z2 z 2 ( z − i)
b) Biểu diễn = , Re(z2( z -i))=x(x2 + y2 + 2y)
z+i z +i
2
26
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Trục Oy và đường tròn tâm (0,-1) bán kính 1 bỏ đi điểm (0,-1)
Câu 14. 13
⎧1 + cos x + cos y = 0
Câu 15. ⎨
sin x + sin y = 0
⎩
2π 2π
(x,y) = (± + 2mπ ,m + 2nπ ), m, n ∈ Z
3 3
Câu 16. a) z = e ± iθ
b) Gọi z = ix là nghiệm thuần ảo ⇒ x = 1
z3 + (1-2i)z2 + (1 - i)z - 2i = (z -i).[z2+(1-i)z + 2]
1
z1 = i, z2,3 = {−1 − 17 − 4 + (1 ± 17 + 4 )i}
2
⎧ 2
⎪( x − y )( x + y ) = 1029
2 2
Câu 17. a) Đưa về tương đương với ⎨ 2
⎪( x − y 2 )( x − y ) 2 = 189
⎩
⎧u = x − y
Đặt ⎨ ⇒ u 8 = 38
⎩v= x+ y
(5,2), (-2 ω,−5ω), (5i,2i), (−2iω,−5iω), (−5,−2), (2ω,5ω), (−5i,−2i), (2iω,5iω)
2i
π
1+ i
trong đó ω = e 8
=
2
b) Suy ra x = y2 = z4 = x8 ⇒ x = 0, x7 = 1
2 ikπ
(0,0,0), ( ω k , ω k4 , ω k2 ), k = 0,6 , ω k =e 7
1
Câu 19. cos3kx = (cos3kx + 3coskx)
4
* x ∈ 2πZ thì S = n
3(n + 1) x (n + 1) x
sin sin
1 3nx 2 nx 2
* x ∉ 2πZ thì S = {cos + 3 cos − 4}
4 2 3x 2 x
sin sin
2 2
(n + 1)
n sin x
Câu 20. An(x) = -1 + 2∑ cos kx = −1 + 2 cos nx 2
k =0 2 x
sin
2
1
sin(n + x)
Biến đổi tiếp An(x) = 2
x
sin
2
27
Chương 1: Giới hạn của dãy số
2
⎛ n +1 ⎞
1 n
1 ⎜ sin ⎟
2 ⎟
x∑
Bn(x) = sin(k + ) x = ⎜
sin k =0
2 ⎜ sin x ⎟
⎜ ⎟
2 ⎝ 2 ⎠
28
Chương 2: Hàm số một biến số
CHƯƠNG II: HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ
2.1 MỤC ĐÍCH
Mọi vật xung quanh ta đều biến đổi theo thời gian. Chúng ta có thể nhận thấy
điều đó qua sự chuyển động cơ học của các vật thể: ô tô, máy bay; sự thay đổi của
các đại lượng vật lý: nhiệt độ, tốc độ, gia tốc; sự biến động kinh tế trong một xã
hội: Giá cổ phiếu, lãi suất tiết kiệm,.... Tất cả các loại hình đó được gán một tên
chung là đại lượng hay hàm số, nó phụ thuộc vào đối số nào đó, chẳng hạn là thời
gian. Xem xét hàm số tức là quan tâm đến giá trị, tính chất và biến thiên của nó.
Việc đó đặt ra như một nhu cầu khách quan của con người và xã hội.
Trong mục thứ nhất của chương này, người đọc cần nắm vững hàm số và
ký hiệu hàm số. Lưu ý rằng ánh xạ f hay “quy luật” nêu trong định nghĩa có tính
tổng quát, không nhất thiết phải là một công thức giải tích trên khoảng xác định
của nó. Nó có thể biểu thị bằng nhiều công thức trong các khoảng con của tập
xác định hoặc bằng số hoặc bằng đồ thị. Nắm vững các tính chất của hàm số là
điều vô cùng quan trọng. Chẳng hạn nếu hàm chẵn hoặc lẻ trên khoảng (-a,a) thì
chỉ cần xét trên khoảng (0,a), hàm tuần hoàn chu kỳ T, chỉ cần xét trên khoảng
T T
(− , ) là có thể biết toàn cảnh của hàm số đó. Tính chất này của hàm số sẽ
2 2
còn được xem xét ở các chương tiếp theo. Những hàm số thông dụng là các
hàm số sơ cấp cơ bản, là hàm hữu tỉ luôn luôn được sử dụng trong các chương
sau. Phải lưu ý đến tập giá trị của các hàm ngược của các hàm lượng giác. Khi
xem xét các hàm sơ cấp cơ bản là phải phác thảo được đồ thị của chúng, có như
thế chúng ta mới thấy được đặc tính của hàm số, đặc biệt đặc tính của hàm số ở
lân cận x=0 và lân cận vô cùng (những điểm khá xa gốc toạ độ).
Trong mục thứ hai khái niệm giới hạn của hàm số là bao hàm khái niệm
giới hạn của dãy số thể hiện qua định nghĩa của nó, đặc biệt qua định lý về mối
liên hệ với dãy số. Nhớ lại rằng giới hạn là một khái niệm khó nên các tính chất
của hàm có giới hạn, các điều kiện cần, các điều kiện đủ phải hiểu chính xác.
Ngoài ra cũng cần phải lưu ý khái niệm giới hạn một phía bởi vì các hàm
thường được cho không phải luôn luôn dưới dạng sơ cấp. Tất cả các khái niệm
28
Chương 2: Hàm số một biến số
trên người học phải minh hoạ được bằng đồ thị. Cuối cùng là các giới hạn đáng
nhớ, chúng được coi là các giới hạn đi cùng với chúng ta suốt quá trình học tập.
Trong mục thứ ba lớp các vô cùng bé, vô cùng lớn được đề cập một cách
tự nhiên, bởi vì chúng có mối liên hệ trực tiếp với hàm số có giới hạn. Hơn nữa
trong các tính toán thường hay gặp các đại lượng này. Cần nắm được các so
sánh vô cùng bé, vô cùng lớn bởi vì nó rất có ích trong quá trình khử các dạng
bất định, trong quá trình đánh giá, tính gần đúng và đặc biệt là cách mô tả sau
này. Biết các vô cùng bé hoặc vô cùng lớn tương đương thực sự đã có kỹ năng
kỹ xảo giải các bài tập sau này.
Cuối cùng trong mục thứ tư chúng ta đề cập đến một lớp hàm số đặc biệt
quan trọng bởi vì nó luôn luôn xuất hiện trong toán cao cấp A1, A3: Hàm số liên
tục. Việc mô tả hình học hàm số liên tục tại x0, liên tục một phía tại x0, liên tục
trên khoảng (a,b), trên đoạn [a,b] ,... là việc làm vô cùng cần thiết. Nó phản ánh
sự hiểu thấu đáo về tính liên tục, tính gián đoạn của hàm số. Cũng nhờ tính chất
log a (1 + x)
liên tục của hàm số mà có thể khử được các dạng bất định đặc biệt : ,
x
a x −1
, [u ( x)]v( x ) . Khi đề cập đến hàm liên tục trên một đoạn kín là phải nghĩ
x
ngay đến tính trù mật, tính đạt được giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nó, tính liên
tục đều. Những tính chất này làm cơ sở cho bài toán tìm giá trị bé nhất, lớn
nhất, tìm nghiệm gần đúng của phương trình đại số hay tính khả tích của nó.
2.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
2.2.1 Các khái niệm cơ bản về hàm số
a. Các định nghĩa cơ bản
Định nghĩa hàm số
Cho X là tập không rỗng của R. Một ánh xạ f từ X vào R gọi là một
f :X →R
hàm số một biến số
x a f (x)
X gọi là tập xác định của f , gọi là tập giá trị của f . Đôi khi ký
f (X )
hiệu y = f ( x ), x ∈ X x gọi là đối số, y gọi là hàm số.
Hàm chẵn, lẻ
Cho X đối xứng với 0 tức là ∀x ∈ X , − x ∈ X
29
Chương 2: Hàm số một biến số
Hàm số f (x) chẵn khi và chỉ khi f ( x) = f (− x) .
Hàm số f (x) lẻ khi và chỉ khi f ( x) = − f (− x).
Hàm số tuần hoàn
*
Hàm số f(x) gọi là tuần hoàn trên X nếu tồn tại τ ∈ R+ sao cho ∀x ∈ X
thì x+τ ∈ X và f (x+ τ )= f (x).
Số T dương bé nhất trong các số τ gọi là chu kì của hàm số tuần hoàn
f(x).
Hàm số đơn điệu
Cho f (x) với x ∈ X .
1. Nói rằng f (x) tăng nếu ∀x1, x2 ∈ X , x1 ≤ x2 ⇒ f ( x1 ) ≤ f ( x2 ) .
và f (x) tăng ngặt nếu ∀x1 , x2 ∈ X , x1 < x2 ⇒ f ( x1 ) < f ( x2 ) .
2. Nói rằng f (x) giảm nếu ∀x1, x2 ∈ X , x1 ≤ x2 ⇒ f ( x1 ) ≥ f ( x2 ) .
và f (x) giảm ngặt nếu ∀x1 , x2 ∈ X , x1 < x2 ⇒ f ( x1 ) > f ( x2 ) .
3. Nói rằng f (x) đơn điệu nếu nó tăng hoặc giảm.
Nói rằng f (x) đơn điệu ngặt nếu nó tăng ngặt hoặc giảm ngặt.
Hàm số bị chặn
1. Hàm số f (x) bị chặn trên trong X nếu tồn tại số A sao cho :
∀x ∈ X , f ( x ) ≤ A .
2. Hàm số f (x) bị chặn dưới trong X nếu tồn tại số B sao cho:
∀x ∈ X , f ( x ) ≥ B
3. Hàm số f (x) bị chặn trong X nếu tồn tại các số A,B sao cho:
∀x ∈ X , B ≤ f ( x ) ≤ A .
Hàm số hợp
Cho f : X → R và g: Y → R với f (X ) ⊂ Y gọi ánh xạ
g0 f : X → R
x a g ( f ( x ))
Hay y = g( f (x)) là hàm số hợp của hai hàm f và g.
30
Chương 2: Hàm số một biến số
Định lí:
Nếu f ,g : X → R bị chặn trên thì f + g cũng bị chặn trên và
Sup( f ( x ) + g ( x )) ≤ Sup f ( x ) + Sup g ( x )
X X X
1. Nếu f ,g : X → R bị chặn trên và không âm thì f . g bị chặn trên và
Sup( f ( x ).g ( x )) ≤ Sup f ( x ). Sup g ( x )
X X X
2. Nếu f :X →R bị chặn trên và λ ∈ R* thì λf bị chặn trên đồng thời
Sup λ. f ( x ) = λ Sup f ( x )
X X
3. Để f :X →R bị chặn dưới, điều kiện cần và đủ là - f bị chặn trên và
khi đó Inf f ( x ) = − Sup(− f ( x ))
X X
Hàm số ngược
Cho song ánh f : X → Y, X ,Y ⊂ R
Ánh xạ ngược f −1 : Y → X gọi là hàm số ngược của f
y a x = f −1 ( y )
Thông thường đối số kí hiệu là x, hàm số kí hiệu là y, vậy hàm ngược
của y = f ( x ) là hàm số y = f −1 ( x ) . Vì thế trên cùng mặt phẳng toạ độ 0xy, đồ
thị của hai hàm số f và f −1 là đối xứng nhau qua đường phân giác của góc
phần tư thứ I và III.
b. Các hàm số thông dụng
Hàm luỹ thừa
Cho α ∈ R . Hàm luỹ thừa với số mũ α ,được kí hiệu là Pα , là ánh xạ từ
*
R+ vào R, xác định như sau ∀x ∈ R+ , Pα ( x) = xα
*
Nếu α > 0 , coi rằng P (0) = 0
α Nếu α = 0 , coi rằng P0 (0) = 1
Hàm mũ cơ số a
Xét a ∈ R+ \ {1} . Hàm mũ cơ số a, kí hiệu là
*
expa x , là ánh xạ từ R vào
R+ , xác định như sau: ∀x ∈ R ,
*
exp a x = a x .
Hàm lôgarit cơ số a
Xét a ∈ R+ \ {1} . Hàm lôgarit cơ số a, kí hiệu là log a , là ánh xạ ngược
*
với ánh xạ expa , như vậy ∀( x , y ) ∈ R+ × R ,
*
y = log a x ⇔ x = a y
31
Chương 2: Hàm số một biến số
Tính chất của hàm số lôgarit
1. log a 1 = 0
log a xy = log a x + log a y
2. ∀x , y ∈ R , *
+ x
log a = log a x − log a y
y
∀α ∈ R log a x α = α log a x
3. ∀a, b ∈ R+ , log b x = log b a. log a x
*
4. ∀x ∈ R+ ,
*
log 1 x = − loga x
a
Các hàm số lượng giác
Các hàm số lượng giác: sinx, cosx, tgx, cotgx đã được xét kỹ trong
chương trình phổ thông trung học. Dưới đây chúng ta chỉ nhắc lại một số
tính chất cơ bản của chúng.
Tính chất:
- sinx xác định trên R, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu kì T = 2 π và bị
chặn: − 1 ≤ sin x ≤ 1, ∀x ∈ R
- cosx xác định trên R, là hàm số chẵn, tuần hoàn với chu kì T = 2 π và
bị chặn: − 1 ≤ cos x ≤ 1, ∀x ∈ R
- tgx xác định trên R\{ π + kπ , k ∈ Z }, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu
2
kỳ T = π và nhận giá trị trên khoảng (−∞,+∞ ) .
- cotgx xác định trên R\{ kπ , k ∈ Z }, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu kỳ
T = π và nhận giá trị trên khoảng ( −∞,+∞ ) .
Các hàm số lượng giác ngược
- Hàm arcsin là ánh xạ ngược của sin: ⎡− π , π ⎤ → [− 1,1]
⎢ ⎥
⎣ 2 2⎦
Kí hiệu là arcsin: [− 1,1] → ⎡− π , π ⎤ .
⎢ ⎥
⎣ 2 2⎦
Vậy ta có: ∀x ∈ [− 1,1], ∀y ∈ ⎡− π , π ⎤ ,
⎢ ⎥ y = arcsin x ⇔ x = sin y
⎣ 2 2⎦
32
Chương 2: Hàm số một biến số
- Hàm arccos là ánh xạ ngược của cos : [0,π ] → [− 1,1] kí hiệu:
arccos : [− 1,1] → [0, π ]
∀x ∈ [− 1,1], ∀y ∈ [0, π ], y = arccos x ⇔ x = cos y
⎛ π π⎞
- Hàm actang là ánh xạ ngược của tg : ⎜ − , ⎟ → R , kí hiệu:
⎝ 2 2⎠
⎛ π π⎞
arctg : R → ⎜ − , ⎟
⎝ 2 2⎠
⎛ π π⎞
Vậy ta có ∀x ∈ R, ∀y ∈ ⎜ − , ⎟ y = arctgx ⇔ x = tgy
⎝ 2 2⎠
- Hàm accôtang là ánh xạ ngược của cotg : (0, π ) → R kí hiệu:
⎛ π⎞
arc cot g : R → ⎜ 0, ⎟
⎝ 2⎠
⎛ π⎞
Vậy ta có ∀x ∈ R, ∀y ∈ ⎜ 0, ⎟ y = arc cot gx ⇔ x = cot gy
⎝ 2⎠
Người ta gọi hàm số luỹ thừa, hàm số mũ, hàm số lôgarit, các hàm
số lượng giác và các hàm số lượng giác ngược là các hàm số sơ cấp cơ bản.
Các hàm hypebôlic thuận
- Hàm sinhypebôlic là ánh xạ sh : R → R xác định như sau:
1 x
∀x ∈ R, shx = (e − e − x )
2
- Hàm côsinhypebôlic là ánh xạ ch : R → R xác định như sau:
1 x
∀x ∈ R, chx = (e + e − x )
2
- Hàm tanghypebôlic là ánh xạ th : R → R xác định như sau:
shx e 2 x − 1
∀x ∈ R, thx = =
chx e 2 x + 1
- Hàm cotanghypebôlic là ánh xạ coth : R * → R , xác định như sau:
chx 1 e2 x + 1
∀x ∈ R * , coth x = = = 2x
shx thx e − 1
Tính chất:
- Shx,thx,cothx là các hàm số lẻ còn chx là chẵn và ∀x ∈ R , chx > 0
33
Chương 2: Hàm số một biến số
- ∀x , a , b , p , q ∈ R , các hàm hypebôlic thoả mãn công thức sau đây:
x2 y2
+ ch 2 x − sh 2 x = 1 ⇒ Hyperbon − = 1 biểu diễn tham số sẽ là:
a2 b2
⎧ x = acht
⎨
⎩ y = bsht t∈R
+ ch( a + b) = cha.chb + sha.shb ; sh ( a + b) = sha.chb + shb.cha
ch(a − b) = cha.chb − sha.shb ; sh (a − b) = sha.chb − shb.cha
tha + thb tha − thb
th(a + b) = ; th(a − b) =
1 + tha.thb 1 − tha.thb
+ ch 2a = ch 2 a + sh 2 a = 2ch 2 a − 1 = 1 + 2sh 2 a .
sh2a = 2sha.cha .
2tha
th 2a = .
1 + th 2 a
1 1
ch 2 a = (ch 2a + 1); sh 2 a = (ch 2a − 1) .
2 2
p+q p−q
+ chp + chq = 2ch ch
2 2
p+q p−q
chp − chq = 2sh sh
2 2
p+q p−q
shp + shq = 2sh ch
2 2
p+q p−q
shp − shq = 2ch sh
2 2
Các hàm hypebôlic ngược
1. Hàm Acsinhypebôlic là ánh xạ ngược của sh : R → R , kí hiệu:
Argsh : R → R haylà ∀( x , y ) ∈ R 2 , y = Argshx ⇔ x = shy
2. Hàm Accôsinhypebôlic là ánh xạ ngược của ch : R → [1,+∞] , kí hiệu:
Argch : [1,+∞ ) → R+ , tức là ∀x ∈ [1,+∞), ∀y ∈ R+ , y = Argchx ⇔ x = chy
3. Hàm Actanghypebôlic là ánh xạ ngược của th : R → ( −1,1), kí hiệu:
Argth : ( −1,1) → R , tức là ∀x ∈ ( −1,1), ∀y ∈ R , y = Argthx ⇔ x = thy
34
Chương 2: Hàm số một biến số
4. Hàm Accôtanghypebôlic là ánh xạ ngược của coth : R * → R \ [− 1,1], kí
hiệu: Arg coth : R \ [− 1,1] → R * , tức là
∀x ∈ R \ [− 1,1], ∀y ∈ R * , y = Arg coth x ⇔ x = coth y
Đa thức, hàm hữu tỉ.
1. Ánh xạ P: X →R được gọi là đa thức khi và chỉ khi tồn tại n ∈ N
n
và ( a0 , a1 ,..., an ) ∈ R n +1 sao cho ∀x ∈ X , P ( x ) = ∑ ai x i
i =0
Nếu an ≠ 0 , gọi n là bậc của đa thức, kí hiệu degP(x)=n
2. Ánh xạ f : X →R được gọi là hàm hữu tỉ khi và chỉ khi tồn tại hai
đa thức
P( x )
P,Q: X →R sao cho ∀x ∈ X , Q( x ) ≠ 0, f ( x) =
Q( x )
P( x )
Gọi f ( x) = là hàm hữu tỉ thực sự khi và chỉ khi:
Q( x )
degP(x)0 và khá lớn.
Cho f xác định ở lân cận điểm a (có thể không xác định tại a).
1. Nói rằng f có giới hạn là l khi x dần đến a (gọi tắt: có giới hạn là
l tại a) nếu ∀ε > 0, ∃Ωη (a) ⊂ X , ∀x ∈ Ωη (a) \ {a} ⇒ f ( x ) − l < ε
2. Nói rằng f có giới hạn là + ∞ tại a nếu
∀A > 0, ∃Ωη ( a) ⊂ X , ∀x ∈ Ωη (a) \ {a} ⇒ f ( x ) > A .
3. Nói rằng f có giới hạn là − ∞ tại a nếu −f có giới hạn là + ∞ tại a.
4. Nói rằng f có giới hạn là l tại + ∞ nếu
∀ε > 0, ∃Ω A (+∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω A (+∞) ⇒ f ( x ) − l < ε .
5. Nói rằng f có giới hạn là l tại −∞ nếu
∀ε > 0, ∃Ω B (−∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω B (−∞) ⇒ f ( x ) − l < ε .
6. Nói rằng f có giới hạn là + ∞ tại + ∞ nếu
∀A > 0, ∃Ω M (+∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω M (+∞) ⇒ f ( x ) > A .
7. Nói rằng f có giới hạn là −∞ tại + ∞ nếu và chỉ nếu −f có giới hạn
là + ∞ tại + ∞ .
8. Nói rằng f có giới hạn là +∞ tại −∞ nếu
∀A > 0, ∃Ω M ( −∞ ) ⊂ X , ∀x ∈ Ω M ( −∞ ) ⇒ f ( x) > A .
9. Nói rằng f có giới hạn là − ∞ tại − ∞ khi và chỉ khi − f có giới hạn
là + ∞ tại − ∞ Khi f ( x ) có giới hạn là l tại a hoặc tại ± ∞ nói rằng f ( x ) có
giới hạn hữu hạn tại a hoặc tại ± ∞ . Ngược lại f ( x ) có giới hạn là ± ∞ , nói
rằng nó có giới hạn vô hạn.
36
Chương 2: Hàm số một biến số
Định nghĩa giới hạn một phía.
1. Nói rằng f có giới hạn trái tại a là l1 nếu
∀ε > 0, ∃η > 0 (∃Ωη (a) ⊂ X ), ∀x,0 < a − x < η ⇒ f ( x ) − l1 < ε .
2. Nói rằng f có giới hạn phải tại a là l2 nếu
∀ε > 0, ∃η > 0 , ∀x, 0 < x − a < η ⇒ f ( x ) − l2 < ε .
Kí hiệu f có giới hạn là l tại a thường là:
lim f ( x ) = l
x→a
hoặc f ( x ) ⎯x → a → l
⎯ ⎯
Tương tự có các kí hiệu:
lim f ( x ) = +∞,−∞; lim = l,+∞,−∞
x→a x → ±∞
Kí hiệu f có giới hạn trái tại a là l1 , thường dùng
( )
lim f ( x ) = f a − = l1
x →a −
Tương tự ( )
lim f ( x ) = f a + = l2
x →a+
Hệ quả: Điều kiện cần và đủ để lim f ( x ) = l
x→a
là f (a − ) = f (a + ) = l.
b. Tính chất của hàm có giới hạn.
Sự liên hệ với dãy số
Định lí: Để f ( x ) có giới hạn là l tại a điều kiện cần và đủ là mọi
dãy (un ) trong X hội tụ về a thì n → ∞ f (un ) = l
lim
Tính duy nhất của giới hạn
Định lí: Nếu lim f ( x ) = l
x →a
thì l là duy nhất.
Tính bị chặn
Định lí: Nếu lim f ( x ) = l
x →a
thì f ( x ) bị chặn trong một lân cận của a.
Tính chất thứ tự của giới hạn và nguyên lí kẹp.
Định lí 1: Cho lim f ( x ) = l .
x →a
Khi đó:
1. Nếu c < l thì trong lân cận đủ bé của a : c < f (x)
2. Nếu l < d thì trong lân cận đủ bé của a : f (x) < d
37
Chương 2: Hàm số một biến số
3. Nếu c < l < d thì trong lân cận đủ bé của a : c < f ( x) < d
Định lí 2: Cho lim f ( x ) = l,
x→a
khi đó
1. Nếu c ≤ f (x) trong lân cận của a thì c ≤ l
2. Nếu f (x) ≤ d trong lân cận của a thì l ≤ d
3. Nếu c ≤ f (x) ≤ d trong lân cận của a thì c ≤ l ≤ d
Định lí 3: Nguyên lí kẹp: Cho ba hàm số f , g, h thoả mãn:
f ( x ) ≤ g ( x ) ≤ h( x ) trên X; lim f ( x ) = lim h( x ) = l Khi đó lim g ( x ) = l
x →a x →a x→a
Định lí 4: Nếu trong lân cận của a có f ( x ) ≤ g( x ) và lim f ( x ) = +∞
x→a
thì:
lim g ( x ) = +∞
x→a
Các phép tính đại số của hàm số có giới hạn
Định lí 1 (Trường hợp giới hạn hữu hạn):
1. f ( x ) ⎯x → a → l ⇒ f ( x ) ⎯x → a → l
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
2. f ( x ) ⎯x → a → 0 ⇔ f ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
3. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯x → a → l2 ⇒ f ( x ) + g ( x ) ⎯x → a → l1 + l2
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
4. f ( x ) ⎯x → a → l ⇒ λ. f ( x ) ⎯x → a → λl,
⎯ ⎯ ⎯ ⎯ λ ∈R
5. f ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯ và g( x ) bị chặn trong lân cận của
a ⇒ f ( x ).g ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯
6. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯⎯a → l2 ⇒ f ( x ).g ( x ) ⎯⎯a → l1.l2
⎯
x→
⎯
x→
f ( x) l
7. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯x → a → l2 ≠ 0 ⇒
⎯ ⎯ ⎯x → a → 1
⎯ ⎯
g( x ) l2
Định lí 2 (Trường hợp giới hạn vô hạn):
1. Nếu f ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯ và g ( x) ≥ m trong lân cận của a thì
f ( x) + g ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯
2. Nếu f ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯ và g ( x) ≥ m > 0 trong lân cận của a thì
f ( x).g ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯
Giới hạn của hàm hợp
Cho f : X → R, g : Y →R và f ( X ) ⊂ Y
38
Chương 2: Hàm số một biến số
Định lí: Nếu f ( x) ⎯x → a → b
⎯ ⎯ và g ( y ) ⎯⎯b → l
⎯
y→
thì g ( f ( x)) ⎯x → a → l
⎯ ⎯
Giới hạn của hàm đơn điệu
Định lí 1: Cho f : (a, b) → R, a, b ∈ R hoặc a, b ∈ R và là hàm tăng.
1. Nếu f bị chặn trên thì lim f ( x) = Sup f ( x)
x →b − ( a ,b )
2. Nếu f không bị chặn trên thì lim f ( x) = +∞
x →b −
Định lí 2: Nếu f (x) xác địn tại a và tăng ở lân cận của a thì luôn tồn tại
một giới hạn trái và một giới hạn phải hữu hạn tại a và:
lim f ( x) ≤ f (a) ≤ lim+ f ( x)
x→a − x→a
c. Các giới hạn đáng nhớ
sin x x
a. lim = lim =1
x→0 x x → 0 sin x
x x
⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
b. lim ⎜1 + ⎟ = lim ⎜1 + ⎟ = e
x → +∞
⎝ x⎠ x → −∞
⎝ x⎠
c. lim ln x = +∞, lim ln x = −∞
x →+∞ x →0 +
d. Sự tồn tại giới hạn của các hàm sơ cấp
Định lí: Hàm số sơ cấp xác định tại x0 thì xlim f ( x) = f ( x0 )
→x 0
2.2.3 Đại lượng vô cùng bé (VCB) và đại lượng vô cùng lớn (VCL)
a. Đại lượng VCB
Định nghĩa: Ánh xạ α : X → R , gọi là đại lượng VCB tại a nếu như
α ( x) ⎯x →a → 0 , a có thể là + ∞ hoặc - ∞
⎯ ⎯
Hệ quả: Để tồn tại lim f ( x) = l
x→a
điều kiện cần và đủ là hàm số
α ( x) = f ( x) − l là VCB tại a.
Tính chất đại số của VCB: Dựa vào tính chất đại số của hàm có giới
hạn, nhận được tính chất đại số của các VCB sau đây:
n n
1. Nếu α i ( x), i = 1,2,..., n là các VCB tại a thì tổng ∑α i ( x) , tích ∏α i ( x)
i =1 i =1
cũng là VCB tại a
39
Chương 2: Hàm số một biến số
2. Nếu α (x ) là VCB tại a, f (x ) bị chặn trong lân cận của a thì α ( x). f ( x)
là VCB tại a.
So sánh các VCB: Cho α ( x), β ( x ) là các VCB tại a.
1. Nếu α ⎯x →a → 0
⎯ ⎯ thì nói rằng α là VCB cấp cao hơn β tại a, kí hiệu
β
α = o( β ) tại a, cũng nói rằng β là VCB cấp thấp hơn α tại a.
α
2. Nếu ⎯⎯ → c ≠ 0 thì nói rằng α , β là các VCB ngang cấp tại a. Đặc
⎯
β x→a
biệt c = 1 thì nói rằng α , β là các VCB tương đương tại a. Khi đó kí hiệu
α ~ β tại a. Rõ ràng nếu α , β ngang cấp tại a thì α ~ cβ tại a.
3. Nếu γ = o(α k ) thì nói rằng γ là VCB có cấp cao hơn k so với VCB
α tại a
4. Nếu γ ~ cα k (c ≠ 0) thì nói rằng γ là VCB có cấp k so với VCB α
tại a
α α
Hệ quả 1: Nếu γ ~ α1 , β ~ β1 tại a thì lim = lim 1
x→a β x→a β
1
Hệ quả 2: Nếu α = o( β ) tại a thì α + β ~β tại a .
Hệ quả 3: Qui tắc ngắt bỏ VCB cấp cao: Nếu α * là VCB cấp thấp nhất
trong số các VCB αi , (i = 1, m) và β * là VCB cấp thấp nhất trong số các
VCB β i , (i = 1, n ) tại a . Khi đó:
m
∑α i
α*
lim i =1
= lim
x→a n x→a β *
∑β
j =1
j
b. Đại lượng VCL
Định nghĩa: Ánh xạ A: X → R gọi là đại lượngVCL tại a nếu như
A( x) ⎯x →a → +∞ hoặc − ∞ (a có thể là + ∞ hoặc − ∞ ).
⎯ ⎯
1
Hệ quả: Để A(x ) là VCL tại a thì cần và đủ là α ( x) = là VCB tại a.
A( x )
Tính chất của VCL
1. Nếu Ai ( x), i = 1,2,..., n là các VCL cùng dấu (+ ∞ ) hay (− ∞) tại a thì
n
tổng ∑ A ( x) là VCL mang dấu đó tại a.
i =1
i
40
Chương 2: Hàm số một biến số
n
Nếu Bi ( x), i = 1,2,..., n là các VCL tại a thì tích ∏ Bi ( x) là VCL tại a
i =1
2. Nếu A(x) là VCL tại a và f (x ) giữ nguyên dấu tại a và lân cận của
nó thì A( x). f ( x) là VCL tại a.
So sánh các VCL
Cho A( x ), B ( x ) là các VCL tại a
A( x)
1. Nếu ⎯⎯ → ∞
⎯ thì nói rằng A(x ) là VCL cấp cao hơn B (x ) tại a,
B ( x) x →a
hay B là VCL có cấp thấp hơn A tại a
A( x )
2. Nếu ⎯⎯ → c ≠ 0
⎯ thì nói rằng A, B là VCL ngang cấp tại a.
B( x) x → a
Đặc biệt c = 1 thì nói rằng A, B là các VCL tương đương tại a, kí hiệu
A ~ B tại a.
A( x) A ( x)
Hệ quả 1: Nếu A ~ A1 , B ~ B1 tại a thì lim
x → a B ( x)
= lim 1
x → a B ( x)
1
Hệ quả 2: Nếu A(x ) làVCL cấp cao hơn B (x ) tại a thì A+ B ~ A.
Hệ quả 3: Qui tắc ngắt bỏ cácVCL cấp thấp: Nếu A* là các CVL cấp
cao nhất trong số các VCL Ai ( x), i = 1,2,..., m và B* là VCL cấp cao nhất trong
số các VCL B j ( x), j = 1,2,..., n tại a thì ta có
m
∑ A ( x)
i
A* ( x)
lim i =1
= lim
x→a n x → a B* ( x)
∑ B ( x)
j =1
j
2.2.4 Sự liên tục của hàm số
a. Các khái niệm cơ bản
Hàm liên tục tại một điểm
Cho f : X →R và a ∈ X . Nói rằng f (x ) liên tục tại a nếu
lim f ( x ) = f (a ) hay lim f ( x) = f ( lim x)
x→a x→a x→a
Tức là ∀ε > 0, ∃η > 0, ∀x : x − a < η ⇒ f ( x) − f (a) < ε
41
Chương 2: Hàm số một biến số
Hàm liên tục một phía tại a
Cho f : X → R, a ∈ X . Nói rằng hàm f liên tục bên trái tại a nếu
lim− f ( x) = f (a − ) = f (a)
x→a
Hàm f liên tục bên phải tại a nếu
lim f ( x) = f (a + ) = f (a)
x→a +
Hệ quả: Để hàm f (x ) liên tục tại a điều kiện cần và đủ là:
f (a − ) = f (a + ) = f (a)
Hàm liên tục trên một khoảng
1. Hàm f (x ) liên tục tại mọi điểm x ∈ X thì nói rằng nó liên tục trên
tập X .
2. Hàm f (x) liên tục trên khoảng mở (a,b) và liên tục trái tại b,liên tục
phải tại a nói rằng nó liên tục trên [a,b]
Hàm liên tục từng khúc
Hàm f : [a, b] → R, a, b ∈ R.
Nói rằng hàm f liên tục từng khúc trên [a, b] khi và chỉ khi ∃n ∈ N * và
(a0 , a1,..., an ) ∈ [a, b]n +1 sao cho a = a0 < a1 < ... < an = b và f liên tục trên tất cả các
khoảng mở (ai , ai +1 ), i = 0,1,..., n − 1 và có giới hạn phải hữu hạn tại ai , có giới
hạn trái hữu hạn tại ai +1
Điểm gián đoạn của hàm số
1. Nếu f (x ) không liên tục tại a, nói rằng f (x ) có điểm gián đoạn tại
x =a.
2. Nếu a là điểm gián đoạn và f (a − ), f (a + ) là các số hữu hạn thì gọi
x = a là điểm gián đoạn loại 1 của hàm số và gọi h f (a) = f (a + ) − f (a − ) là bước
nhảy của f (x) tại a.
Hệ quả: Nếu f (x) tăng (giảm) ở lân cận điểm a khi đó f (x) liên tục tại a
khi và chỉ khi h f (a) = 0 . Điều này suy ra từ định lí 2 của hàm số đơn điệu.
3. Nếu a là điểm gián đoạn của f (x) và không phải là điểm gián đoạn
loại 1 thì nói rằng f (x) có điểm gián đoạn loại 2 tại x = a .
42
Chương 2: Hàm số một biến số
b. Các phép toán đại số của hàm liên tục
Định lí 1: Cho f ,g : X → R, a ∈ X ,λ ∈ R
1. Nếu f (x ) liên tục tại a thì f (x) liên tục tại a.
2. Nếu f ( x ), g ( x ) cùng liên tục tại a thì f ( x) + g ( x) liên tục tại a.
3. Nếu f (x ) liên tục tại a thì λf (x) liên tục tại a.
4. Nếu f ( x ), g ( x ) liên tục tại a thì f ( x).g ( x ) liên tục tại a.
f ( x)
5. Nếu f ( x ), g ( x ) liên tục tại a và g ( x) ≠ 0 thì liên tục tại a.
g ( x)
Định lí 2: Cho f : X → R; a ∈ X , g: Y →R và f (X ) ⊂ Y.
Nếu f (x) liên tục tại a và g ( y ) liên tục tại b = f (a ) thì hàm hợp g ( f ( x)) liên
tục tại a.
Định lý 3: Mọi hàm số sơ cấp xác định tại x = a thì liên tục tại a.
c. Tính chất của hàm số liên tục trên một đoạn
Cho f : [a, b] → R là liên tục, a < b.
Tính trù mật của hàm số liên tục
Định lí 1: Nếu f (x ) liên tục trên [a, b] và f ( a ). f (b) < 0 thì tồn tại
c ∈ (a, b ) để f (c) = 0
Định lí 2: Nếu f (x) liên tục trên [a, b] khi đó f (x ) nhận giá trị trung
gian giữa f (a ) và f (b) nghĩa là:
∀γ ∈ [ f (a), f (b)], ∃c ∈ [a, b], f (c) = γ
Tính bị chặn của hàm số liên tục
Định lí 3: Hàm số f (x) liên tục trên [a, b] thì đạt được giá trị lớn nhất
và nhỏ nhất trên [a, b] nghĩa là:
∃xm , xM ∈ [a, b ], ∀x ∈ [a, b ] có f ( xm ) ≤ f ( x) ≤ f ( xM )
Hệ quả: Nếu f : [a, b] → R liên tục thì f ([a, b]) = [m, M ] ⊂ R
Trong đó m = Inf f ( x), M = Sup f ( x )
[a , b ] [a , b ]
43
Chương 2: Hàm số một biến số
d. Tính liên tục đều
A. Định nghĩa: Cho f : X → R. Nói rằng f liên tục đều trên X nếu
∀ε > 0, ∃η > 0, ∀( x' , x") ∈ X 2 : x'− x" < η ⇒ f ( x' ) − f ( x" ) < ε
Hệ quả: Nếu f (x ) liên tục đều trên X thì liên tục trên X .
Định lí Hâyne (Heine)
Nếu f (x ) liên tục trên đoạn đóng [a, b] , a, b ∈ R thì liên tục đều trên [a, b] .
2.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Nêu các định nghĩa về hàm số chẵn, lẻ, tuần hoàn.Các hàm số tuần
hoàn và đồng thời là chẵn; lẻ có tồn tại không? Cho ví dụ.
Câu 2. Thế nào là hàm số đơn điệu trong khoảng (a,b)?
Câu 3. Thế nào là hàm số bị chặn trong khoảng (a,b)?
Câu 4. Thế nào là hàm số hợp?
Câu 5. Thế nào là hàm số sơ cấp?
Câu 6. Định nghĩa giới hạn của hàm số.
Câu 7. Nêu các tính chất của hàm có giới hạn. Hàm số bị chặn trong lân
cận điểm a thì có giới hạn tại a không?
Câu 8. Nêu các phép tính về hàm số có giới hạn hữu hạn. Trong trường
hợp hàm số không có giới hạn hữu hạn, các phép tính đó còn đúng không?
sin x 1
= 1, lim (1 + ) x = e
lim
Câu 9. Chứng minh các giới hạn x→0 x x →∞ x .
Câu 10. Thế nào là một VCB? Một hằng số bé bao nhiêu thì được coi là
VCB? Vì sao?
Câu 11. Nêu các tính chất đại số của VCB.
Câu 12. Tổng vô hạn các VBC có phải là vô cùng bé không?
Câu 13. So sánh các VCB: ngang cấp, tương đương, cấp cao hơn.
Câu 14. Thế nào là một VCL? Một hằng số lớn bao nhiêu thì có thể được
xem là VCL? Tại sao?
Câu 15. Nêu mối quan hệ giữa VCB và VCL.
44
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 16. Nêu mối quan hệ giữa VCB và hàm có giới hạn.
Câu 17. Định nghĩa hàm liên tục tại một điểm x0, (a,b), [a,b].
Câu 18. Nêu các tính chất của hàm số liên tục trên một đoạn kín. Tính chất
đó còn đúng không nếu đoạn không kín?
Câu 19. Nêu các phép toán đại số về hàm liên tục.
2.4 BÀI TẬP CHƯƠNG II
1
Câu 1. Cho hàm số f ( x) = Arccos(lgx) . Tính f ( ), f (1), f (10) .
10
Câu 2. Tìm miền xác định và miền giá trị của các hàm số:
1
a. f ( x) = 2 − x 2 , b. g ( x) = ,
x 2 +1
c. h( x) = x 2 − x , d. k ( x) = 2 − x .
Câu 3. Xét xem hàm số có chẵn hoặc lẻ không và phác hoạ đồ thị của nó.
a. f ( x) = x , b. g ( x) = x 2 − 2 x + 1 ,
1
c. h( x) = − , d. k ( x) = x + x − 2 .
4 − x2
Câu 4. Xét xem hàm số nào tuần hoàn và tìm chu kì của nó
a. f ( x) = 10 sin 3x , b. g ( x) = sin 2 x ,
c. h( x) = tgx , d. k ( x) = sin x .
Câu 5. Tìm hàm ngược của các hàm số sau:
a. y = 2 x + 3 , b. y = x 2 − 1, x < 0 ,
x
c. y = 3 1 − x 3 , c. y = lg .
2
Câu 6. Cho f ,g : R→R sao cho
∀( x, y ) ∈ R 2 , { f ( x) − f ( y )}{g ( x) − g ( y )} = 0
Chứng minh rằng có ít nhất một trong hai ánh xạ là ánh xạ hằng.
Câu 7. Tìm tất cả các ánh xạ f : R→R sao cho:
a. ∀x ∈ R, f ( x) f ( x 2 − 1) = sin x
45
Chương 2: Hàm số một biến số
b. ∀x ∈ R, xf ( x) + f (1 − x) = x3 + 1
c. ∀( x, y ) ∈ R 2 , f ( x + y 2 ) = f ( x2 ) + f ( y)
d. ∀( x, y ) ∈ R 2 , f ( x + y ) − f ( x − y ) = 2 y (3x 2 + y 2 )
1
e. ∀( x, y, z ) ∈ R 3 , f ( x. y ) + f ( x.z ) − 2 f ( x ). f ( y.z ) ≥
2
Câu 8. Giải phương trình
x18 + x10 = 544, x ∈ R+
Câu 9. Cho f : R→R sao cho
⎧ f ( f ( x)) t¨ng
⎨
⎩ f ( f ( f ( x))) gi¶m ngÆt
gi¶ m ngÆt
Chứng minh f (x ) giảm ngặt
Câu 10. Tìm các giới hạn
a. lim
(x 2
−x−2 )
20
b. lim
x + x 2 + ... + x n − n
x→2
(x 3
− 12 x + 16 )10 x →1 x −1
c. lim
x100 − 2 x + 1
d. lim
(x n
− a n ) − na n −1 ( x − a )
x →1 x50 − 2 x + 1 x→a ( x − a) 2
Câu 11. Tìm các giới hạn
x+ x+ x x +3 x +4 x
a. xlim b. xlim
→ +∞ x +1 → +∞ 2x + 1
Câu 12. Tìm các giới hạn
1 + αx − n 1 + βx
m m
1 + αx .n 1 + βx − 1
a. lim b. lim
x→0 x x →0 x
Câu 13. Tìm các giới hạn
sin x − sin a 1 + tgx − 1 + sin x
a. lim b. lim
x→a x−a x→0 x3
1 − cos x. cos 2 x. cos 3 x cos x − 3 cos x
c. lim d. lim
x→0 1 − cos x x→0 sin 2 x
Câu 14. Tìm các giới hạn
x −2
a. lim b. xlim 3 x3 + x 2 − 1 − x
x→4 x − 5x + 4
2 → +∞
46
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 15. Tìm các giới hạn
x2 x −1
⎛ 3x − x + 1 ⎞
2 1− x ⎛ x −1⎞2 x +1
a. xlim ⎜ 2 ⎟
→ +∞⎜ 2 x + x + 1 ⎟
b. lim⎜ 2 ⎟
x → ∞⎜ x + 1 ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
( )
1 1
c. lim(1 − 2 x )
x →0
x d. lim cos x
x→0
x
e. lim (sin x )tgx f. lim [sin ln( x + 1) − sin ln x ]
π x → +∞
x→
2
h. n →∞ n 2 (n x − n +1 x )
eαx − e βx
g. lim
x → 0 sin αx − sin βx
lim x>0
1
⎛ 1 + tgx ⎞ sin x
i. lim(1 + x )
2
2 cot g x
j. lim⎜
x → 0 1 + sin x
⎟
x→0
⎝ ⎠
ln (2 + e3 x )
k. lim
x→∞ ln (3 + e 2 x )
Câu 16. Tìm các giới hạn sau
1
a. lim x cos b. lim sin sin ...sin x
x →0 x n→∞ n dÊu sin
c. ⎡1⎤
lim x ⎢ ⎥ d. n →∞ Sgn[sin 2 (nπx)]
lim
x →0
⎣x⎦
Câu 17. Xét sự liên tục của các hàm số sau:
a. f ( x) = x b. f ( x) = ⎨
(
⎧ x 2 − 4 (x − 2) ) x≠2
⎩A , x = 2
⎧ n 1
⎪ x sin x ≠ 0, n ∈ N * ⎧sin πx với x hữu tỉ
c. f ( x) = ⎨ x d. f ( x) = ⎨
⎪0 x=0 ⎩0 với x vô tỉ
⎩
⎧1 với x hữu tỉ ⎧x 2
⎪ với x hữu tỉ
e. f ( x) = ⎨ f. f ( x) = ⎨
⎩x với x vô tỉ ⎪− x 2
⎩ với x vô tỉ
Câu 18. Chứng minh rằng nếu các hàm f (x ) và g (x ) liên tục thì các hàm
ϕ( x) = min{ f ( x), g ( x)}
ψ ( x) = max{ f ( x), g ( x)}
cũng là hàm liên tục
47
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 19. Xét tính liên tục của hàm hợp f ( g ( x)) và g ( f ( x)) nếu
a. f ( x) = Sgnx và g ( x) = 1 + x 2
b. f ( x) = Sgnx và g ( x) = 1 + x − [x]
Câu 20. Tìm tất cả các hàm f (x ) thoả mãn:
a. liên tục tại x = 0 và ∀x ∈ R có f (3 x) = f ( x )
⎛ x ⎞
b. liên tục tại x = 0 và ∀x ∈ R có f ( x) = f ⎜ 2 ⎟
⎝1+ x ⎠
c. liên tục tại x = 1 và ∀x ∈ R có f ( x) = − f ( x 2 )
liên tục trên [0,1] và chỉ nhận giá trị hữu tỉ và f ⎛ ⎞ = .
1 1
Câu 21. Hàm f (x ) ⎜ ⎟
⎝2⎠ 2
⎛ 2⎞
Hãy tính f⎜ ⎟
⎜ 2 ⎟
⎝ ⎠
Câu 22. Cho f (x) và g (x ) là hai hàm số liên tục trên [a, b] và f ( x) = g ( x) tại
mọi x là hữu tỉ. Chứng minh f ( x) = g ( x) trên [a, b]
Câu 23. Chứng minh rằng mỗi phương trình đại số bậc lẻ có ít nhất một
nghiệm thực
1
Câu 24. *Chứng minh hàm số f ( x) = liên tục trên (0,1) nhưng không liên
x
tục đều trên (0,1)
Câu 25. *Chứng minh rằng hàm số
π
f ( x) = sin
x
liên tục và bị chặn trên (0,1) nhưng không liên tục đều trên (0,1)
Câu 26. *Chứng minh hàm số f ( x) = Sinx 2 liên tục và bị chặn trên R nhưng
không liên tục đều trên R
Câu 27. *Chứng minh rằng nếu f (x) liên tục trên [a,+∞ ) và tồn tại giới hạn
hữu hạn lim f ( x) = c thì
x → +∞
a. f (x ) bị chặn trên [a, ∞ ) .
b. f (x ) liên tục đều trên [a,+∞ )
48
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 28. *Chứng minh rằng hàm số
sin x
f ( x) =
x
a. liên tục đều trên mỗi khoảng (−1,0), (0,1)
b. không liên tục đều trên (−1,1) \ {0}
Câu 29. *Chứng minh rằng nếu hàm f (x ) đơn điệu bị chặn và liên tục trên
(a, b) thì liên tục đều trên (a, b)
Câu 30. *Cho f (x ) là hàm số tăng và liên tục trên [a, b] ,thoả mãn điều kiện
f ( a ) ≥ a , f (b ) ≤ b . Lấy x1 ∈ [a, b] và xác định dãy số ( xn ) với
xn +1 = f ( xn ), n ≥ 1
Chứng minh rằng tồn tại n →∞ xn = x* và f ( x* ) = x*
lim
Câu 31. *Cho f , g là các ánh xạ liên tục của [0,1] lên chính [0,1] . Chứng minh
rằng tồn tại x0 ∈ [0,1] để có g ( f ( x0 )) = f ( g ( x0 ))
Câu 32. *Tồn tại hay không hàm liên tục f : R→R thỏa mãn
⎧vx ∈ R \ Q víi x ∈ Q
f ( x) = ⎨
⎩hx ∈ Q víi x ∈ R \ Q
Câu 33. *Cho λ ∈ R và f , g : ( a, b) → R
Chứng minh rằng:
a. Nếu f liên tục đều thì f liên tục đều.
b. Nếu f ,g liên tục đều thì λf + g liên tục đều.
1
c. Nếu f liên tục đều và ∃c > 0 sao cho f ( x) ≥ c, ∀x ∈ (a, b) thì liên tục
f
đều.
d. Nếu f ,g liên tục đều và tồn tại hàm hợp g 0 f thì g 0 f liên tục đều.
2.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG II
π
Câu 1. 1. π ; ;0
2
Câu 2. 2. a. R. b. R , c. (− ∞;0] ∪ [1;+∞ ) , d. (− ∞;2]
49
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 3. a. Hàm chẵn, b. Hàm không chẵn, không lẻ, c. Hàm chẵn, d. Hàm
không chẵn, không lẻ.
2π
Câu 4. a. Tuần hoàn, T = , b. Tuần hoàn, T = π ,
3
c. Tuần hoàn, T = π , d. Không tuần hoàn.
1
Câu 5. a. y = ( x − 3), b. y = − x + 1 , c. y = 3 1 − x 3 , d. y = 2.10 x .
2
Câu 6. Giả sử tồn tại (a, b ) ∈ R 2 sao cho f ( a ) ≠ f (b ) rõ ràng
g ( a ) = g (b ) ⇒ g ( x ) = g ( a ) ∀ x ∈ R .
Câu 7. a. φ ,
b. f ( x) = x 2 − x + 1 ,
c. f ( x) = 0 , (thay liên tiếp x = 0, y=0
x = 0, y=y
x = − y2 , y = y )
d. f ( x) = x3 + c. c = const
(Qui về ∀( X , Y ) ∈ R 2 , f ( X ) − f (Y ) = X 3 − Y 3
1
e. § S : f ( x) = ,
2
1
Cho x = y = z = 1 ⇒ f (1) =
2
1
x = y = 0, z = 1 ⇒ f (0) =
2
1
x = 0, z = 0 ⇒ f ( y ) ≤
2
1
y = z = 1 ⇒ f ( x) ≥ .
2
Câu 8. x = 2 .
10
⎛3⎞ n(n + 1) 1 n(n − 1) n − 2
Câu 10. a. ⎜ ⎟ ; b. ; c. 2 ; d. a
⎝2⎠ 2 24 2
2
Câu 11. a. 1; b.
2
50
Chương 2: Hàm số một biến số
α β α β
− +
Câu 12. a. m n ; b. m n .
1 1
−
Câu 13. a. cos a ; b. 4 ; c. 14 ; d. 12
1 1
Câu 14. a. 12 ; b. 3
1
−
Câu 15. a. 0 ; b.1 ; c. e −2 ; d. e 2
e. 1 ; f. 0 ; g. 1 ; h. ln x
3
i. e ; j. 1 ; k.
2
Câu 16. a. 0 ; b. 0 ;
c. 1 nếu x vô tỉ. 0 nếu x hữu tỉ và thuộc Z, không có giới hạn với x còn lại.
Câu 17. a. liên tục trên R ;
b. liên tục trên R với A=4, liên tục trên R\ {2} với A ≠ 4;
c. liên tục trên R ; d. liên tục trên Z;
e. liên tục tại x=1 ; f. liên tục tại x =0.
Câu 19. a. f ( g ( x )) = 1 liên tục trên R
⎧2 x≠0
g ( f ( x)) = ⎨ liên tục trên R\ {0}
⎩1 x=0
b. f ( g ( x )) = 1 liên tục trên R
g ( f ( x )) = 1 liên tục trên R
Chú ý: x = [x] + r , 0 ≤ r < 1
⎛ x ⎞
Câu 20. a. f ( x) = f ⎜ ⎟ ∀n ∈ N (Bằng qui nạp)
⎝ 3n ⎠
f ( x) = c = const ∀x ∈ R
51
Chương 2: Hàm số một biến số
b. f (c ) = c = const ∀x ∈ R
Chứng minh
f ( x) = f (ϕ n ( x))
x
ϕ n ( x) = ϕ (ϕ n −1 ) trong đó ϕ1 ( x) =
1 + x2
c. f ( x) = 0 . ∀x ∈ R
xét x = 0 f (0) = − f (02 ) ⇒ f (0) = 0
⎛ 21n ⎞
xét x>0 f ( x ) = (−1) f ⎜ x ⎟ ⇒ f ( x) = 0
n
⎜ ⎟
⎝ ⎠
Do f (x ) chẵn suy ra f ( x) = 0 ∀x ∈ R .
⎛ 2⎞ 1
Câu 21. f⎜ ⎟
⎜ 2 ⎟= 2
⎝ ⎠
Câu 32. φ .
52
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
CHƯƠNG III: PHÉP TÍNH VI PHÂN HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ
3.1 MỤC ĐÍCH
Phép tính vi phân của hàm một biến số gắn liền với phép tính đạo hàm của
hàm số. Khái niệm đạo hàm là một trong những tư tưởng quan trọng nhất của
giải tích. Trong chương 2, chúng ta đã đặt vấn đề xem xét hàm số, nhưng vấn
đề cốt lõi của hàm số là tốc độ biến thiên của nó chưa được xét đến. Nhờ vào
khái niệm đạo hàm người ta có thể khảo sát toàn diện một đại lượng biến thiên.
Khái niệm đạo hàm gắn liền với các đại lượng vật lý: vận tốc tại thời điểm t của
một vật chuyển động, nhiệt dung của vật thể ở nhiệt độ to, cường độ dòng
điện,v.v...; gắn liền với các hiện tượng hoá học: tốc độ phản ứng hoá học ở thời
điểm t; gắn liền với các bài toán kinh tế xã hội: vấn đề tăng trưởng kinh tế,
phương án tối ưu trong giao thông, trong sản xuất kinh doanh, v.v....
Trong mục thứ nhất của chương này cần phải nắm vững định nghĩa hàm số
khả vi thể hiện qua việc tính đạo hàm của hàm số. Thực chất tính đạo hàm
0
chính là việc khử dạng bất định . Phải nắm chắc quy trình tính đạo hàm theo
0
định nghĩa. Lưu ý đến khái niệm đạo hàm một phía, các điều kiện cần, điều kiện
cần và đủ để hàm khả vi. Bên cạnh đó cần nắm được ý nghĩa hình học, cơ học
của đạo hàm, các phép tính đại số của hàm có đạo hàm, điều này cũng đã đề cập
ở chương trình phổ thông trung học. Cần phải nắm vững ý nghĩa và công dụng
phép tính đạo hàm của hàm hợp, hàm ngược, phép tính đạo hàm lôgarit. Nếu
thuộc các phép tính trên và các công thức đạo hàm của các hàm thông dụng thì
mọi bài toán tính đạo hàm đều có thể làm nhanh và không nhầm lẫn.
Trong mục thứ hai vi phân của hàm số là biểu hiện định lượng của hàm số
khả vi, cụ thể là phần chính bậc nhất của số gia hàm số. Chính vì thế người ta
đã định nghĩa tính khả vi nhờ vào sự tồn tại đạo hàm. Điều này khác hẳn so với
hàm số nhiều biến số được xem xét sau này. Đặc biệt công thức gần đúng của
số gia hàm số hay được áp dụng vào các bài toán thực tiễn.
Trong mục thứ ba cần nắm vững các phép tính về đạo hàm và vi phân cấp
cao, đặc biệt công thức đạo hàm cấp cao của một tích (công thức Leibniz). Phải
thuộc công thức tính các đạo hàm cấp cao của các hàm sơ cấp cơ bản:
1
e x , sin x, cos x , bởi vì sau này thường xuyên dùng đến các kết quả đó.
ax + b
53
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Trong mục thứ tư trước hết cần hiểu kỹ về điều kiện cần của cực trị khi
hàm số khả vi. Các định lý về giá trị trung bình được hiểu theo nghĩa sau đây :
với những điều kiện nhất định của hàm số f(x) thì trong khoảng hở (a,b) tồn tại
điểm ξ nào đó, kéo theo giá trị f ' (ξ ) , giá trị này có tính chất đặc biệt gọi chung
là giá trị trung bình. Đặc điểm của các định lý này là không chỉ rõ được số
lượng điểm ξ , cũng như giá trị cụ thể của nó. Khi học các định lý này nên đưa ra
các phản ví dụ để thấy rằng chỉ cần thiếu một trong các giả thiết của định lý là
kết luận không còn đúng nữa. Mỗi định lý đều có thể minh hoạ hình học để
kiểm tra lại kiến thức về tính chất của hàm số: hàm số liên tục, hàm số khả vi.
Phân biệt công thức số gia hữu hạn và công thức số gia của hàm số biểu diễn
nhờ vào vi phân của hàm số.
Trong mục thứ năm những ứng dụng trực tiếp các định lý về giá trị trung
bình và đạo hàm cấp cao được đưa ra. Trước hết cần phân biệt các khái niệm: đa
thức Taylor, công thức Taylor của hàm số tại lân cận x0 . Phải nhớ và biết cách
vận dụng công thức Maclaurin của các hàm thông dụng khi giải các bài toán tính
gần đúng. Cuối cùng công thức L’Hospital cho ta điều kiện đủ để khử các dạng
0 ∞
bất định hoặc , và đương nhiên các dạng bất định khác 0 0 ,1∞ , ∞ 0 sau khi
0 ∞
dùng phương pháp lôgarit. Chính vì thế quy tắc này không phải là vạn năng.
Trong mục thứ sáu những ứng dụng của hàm số khả vi, đặc biệt hàm khả vi
bậc cao được trình bày. Lưu ý rằng bản thân tính đơn điệu hay cực trị của hàm
số được mô tả không bắt buộc hàm số phải khả vi. Điều này học sinh thường
hay nhầm lẫn. Tuy nhiên nhận biết các tính chất của hàm số sẽ đơn giản rất
nhiều khi biết rằng hàm số khả vi.
Trong mục thứ bảy người học phải phân biệt được khái niệm cực đại, cực
tiểu với khái niệm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất của hàm số. Cần nhớ là hàm
số không bị chặn dưới (chặn trên) thì không có giá trị bé nhất (lớn nhất). Ngoài
ra hàm bị chặn thì chưa chắc có được giá trị bé nhất và lớn nhất. Chính vì thế
tính liên tục trên một đoạn kín [a,b] là điều quan trọng. Nắm được các bước để
tìm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất, các giá trị đó thường đạt được ở biên.
Trường hợp tập xác định không phải đoạn kín phải để ý đến giá trị của nó ở sát
biên mới giải quyết được bài toán. Cần ý thức được rằng bài toán tìm giá trị bé
nhất, giá trị lớn nhất có một vai trò rất lớn trong thực tế.
Trong mục thứ tám khái niệm hàm lồi, lõm được đưa ra một cách chính
xác nhờ vào bất đẳng thức toán học liên quan đến giá trị hàm số. Tuy nhiên khi
54
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
hàm khả vi, thì điều kiện nhận biết đơn giản hơn nhiều. Đặc biệt hàm khả vi
đến cấp hai thì chỉ để ý đến tính đổi dấu của đạo hàm cấp hai mà thôi. Người
học chú ý đến điều kiện đủ để tìm điểm uốn khi hàm khả vi đến cấp hai.
Trong mục thứ chín cho chúng ta cách tìm tiệm cận của đường cong. Nên
nhớ rằng không thể có cùng tiệm cận ngang và tiệm cận xiên ở cùng một phía.
Để nhận biết tiệm cận đứng phải đi tìm các cực điểm của hàm số. Để học tốt
∞
phần này phải nắm chắc cách khử các dạng bất định ,∞ − ∞ .
∞
Trong mục cuối cùng người học phải nắm vững sơ đồ tổng quát để khảo
sát và vẽ đồ thị hàm số. Đây là dịp vận dụng và tự kiểm tra các kiến thức đã học
ở phần trên.
3.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
3.2.1 Đạo hàm
a. Đạo hàm tại một điểm
Định nghĩa đạo hàm tại một điểm
Cho a ∈ X ,a + h ∈ X , f ∈ RX . Nói rằng f khả vi tại a nếu tồn tại giới hạn
f (a + h) − f (a )
lim
hữu hạn h→0 h
df
(a )
Giới hạn này thường kí hiệu f ' ( a ) hay dx gọi là đạo hàm của f tại
a.
f ( a + h ) − f ( a ) Δf ( a )
=
Tỉ số h Δx gọi là tỉ số của các số gia hàm số và số gia
đối số.
Định nghĩa đạo hàm một phía
1. Cho a ∈ X , a + h ∈ X . Nói rằng f khả vi phải tại a nếu tồn tại giới
f ( a + h) − f ( a )
lim
hạn hữu hạn h→0+ h
f p ' (a) f
Giới hạn này kí hiệu là , gọi là đạo hàm phải của tại a.
2. Cho a ∈ X ,a + h ∈ X . Nói rằng f khả vi trái tại a nếu tồn tại giới
f ( a + h) − f ( a )
lim
hạn hữu hạn h→0− h
55
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
f t ' (a) f
Giới hạn này kí hiệu là , gọi là đạo hàm trái của tại a.
b. Các phép tính đại số của các hàm khả vi tại một điểm
Định lí 1: Cho f và g khả vi tại a khi đó
1. f +g khả vi tại a và ( f + g )' ( a ) = f ' (a ) + g ' ( a )
2. ∀λ ∈ R , λ f khả vi tại a và (λf )' (a) = λ. f ' (a)
3. f .g khả vi tại a và ( f .g )' (a ) = f ' (a ).g ( a ) + f (a ).g ' (a )
'
f ⎛f ⎞ f ' (a ).g (a ) − f (a ).g ' (a )
⎜ ⎟ (a) =
⎜g⎟
g (a) ≠ 0 g ⎝ ⎠ g 2 (a)
4. Nếu thì khả vi tại a và
Định lí 2: (Đạo hàm của hàm hợp). Cho a ∈ X , f : X → R, g : Y → R với
f ( X ) ⊂ Y . Nếu f khả vi tại a và g khả vi tại f (a ) thì hàm hợp gof khả vi
tại a và ( gof )' (a) = g ' ( f (a)). f ' (a).
Định lí 3: (Đạo hàm của hàm ngược). Giả sử f : X → R đơn điệu ngặt
và liên tục trên X khả vi tại a ∈ X và f ' (a) ≠ 0 . Khi đó hàm ngược của
−1
( f ) ( f (a) ) =
−1 ' 1
f là f : f (X ) → R khả vi tại f (a ) và f ' (a)
c. Đạo hàm trên một khoảng (ánh xạ đạo hàm)
Định nghĩa: Cho f ∈ RX khả vi tại mỗi điểm x ∈ (a, b) ⊆ R
Kí hiệu ánh xạ f ': ( a , b ) → R
x a f ' ( x)
là ánh xạ đạo hàm hay đạo hàm của f (x ) trên (a,b) thường kí hiệu
df
( x ), ∀x ∈ ( a, b)
f ' ( x) hay dx . Cũng nói rằng f (x ) khả vi trên ( a, b) ⊆ X
Các tính chất
Định lí 1: Cho f ,g : X → R khả vi trên X , (tức là ( a, b) = X ) khi đó.
1. f +g khả vi trên X và ( f + g )' = f '+ g '
2. ∀λ ∈ R , λ f khả vi trên X và (λf )' = λf '
3. f .g khả vi trên X và ( f .g )' = f ' g + fg '
56
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
'
f ⎛f ⎞ f ' g − fg '
⎜ ⎟ =
⎜g⎟
g ( x) ≠ 0 g ⎝ ⎠ g2
4. trên X thì khả vi trên X và
Định lí 2: Cho f ∈ R và g ∈ RY .
X
Nếu f khả vi trên X và g khả vi trên
f ( X ) thì gof khả vi trên X và ( gof )' = ( g ' of ) f '
Định lí 3: Cho f ∈ RX đơn điệu ngặt trên X , khả vi trên X và
1
−1
( f −1 )' =
f ' ( x) ≠ 0 trên X khi đó f khả vi trên f (X ) và f'
3.2.2 Vi phân của hàm số
a. Định nghĩa vi phân tại một điểm
Cho f ∈ R , f khả vi tại a ∈ X . Vi phân của f tại a kí hiệu
X
df (a ) xác
định bởi công thức df (a ) = f ' ( a ).h với h ∈ R
Vậy df (a ) là một hàm tuyến tính của h
Xét hàm số f ( x) = x trên R , f ' ( x) = 1, ∀x ∈ R vậy dx = 1.h
Từ đó cũng thường kí hiệu df ( a ) = f ' ( a ).dx
Định lí : Nếu f , g ∈ RX và khả vi tại a ∈ X thì
1. d ( f + g )(a ) = df ( a ) + dg ( a )
2. d (λf )( a ) = λdf ( a ) với λ ∈ R
3. d ( f .g )(a ) = f ( a ) dg ( a ) + g (a )df ( a )
⎛f⎞ 1
d ⎜ ⎟(a) = 2 ( g (a)df (a) − f (a)dg (a) )
⎜g⎟
⎝ ⎠ g (a ) g (a) ≠ 0
4. khi
b. Vi phân trên một khoảng
Cho f ∈ R khả vi trên (a, b) ⊆ X . Vi phân của hàm số trên
X
( a, b) được
xác định theo công thức df ( x) = f ' ( x).h với x ∈ (a, b) .
Tương tự như định lí trên, ta nhận được định lí sau đây.
Định lí: Nếu f ,g khả vi trên ( a, b) thì trên khoảng đó cũng thoả mãn
các hê thức sau.
1. d ( f + g )( x ) = df ( x) + dg ( x )
2. d (λf )( x ) = λdf ( x )
57
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3. d ( f .g )( x ) = f ( x ) dg ( x ) + g ( x ) df ( x )
⎛f⎞ 1
d ⎜ ⎟( x) = 2 ( g ( x)df ( x) − f ( x)dg ( x) )
⎜g⎟
⎝ ⎠ g ( x) g ( x) ≠ 0
4. khi
3.2.3 Đạo hàm và vi phân cấp cao
a. Đạo hàm cấp cao
Định nghĩa
1. Cho f khả vi trên X , nếu f ' ( x) khả vi tại a ∈ X thì nói rằng f có
đạo hàm cấp 2 tại a và kí hiệu đạo hàm đó là f " ( a ) . Tương tự đạo hàm
cấp n của f (x ) tại a, kí hiệu là f ( n ) (a ) chính là đạo hàm của hàm
( n −1)
f ( x) tại a.
2. Nói rằng f (x ) khả vi đến cấp n (hay n lần) trên X khi và chỉ khi
tồn tại f ( n ) ( x) trên X , n ∈ N* trong đó f ( n ) ( x) là đạo hàm của f ( n−1) ( x)
3. Nói rằng f (x ) khả vi vô hạn lần trên X khi và chỉ khi f (x ) khả vi
n lần trên X , ∀n ∈ N . Sau đây thường kí hiệu f (0)
( x) = f ( x)
Định lí
Cho λ ∈ R, n ∈ N , f , g ∈ RX
*
khả vi n lần trên X , khi đó trên X có các hệ
thức sau đây :
1. ( f + g)
(n)
= f (n) + g (n)
2. (λf ) = λf
(n) (n)
n
( fg )( n ) = ∑ Cnk f ( k ) g ( n − k )
3. k =0 gọi là công thức Leibnitz
f
4. g ( x) ≠ 0 trên X thì g khả vi n lần trên X
b. Vi phân cấp cao
Định nghĩa
1. Nếu f khả vi đến cấp n tại a ∈ X thì biểu thức f ( n ) (a ).h n gọi là vi
phân cấp n tại a kí hiệu là
n
d f (a ) . Vậy là d f (a) = f
n (n)
(a )h n hay
d f (a ) = f
n (n)
(a)dx n
58
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
2. Nếu f khả vi đến cấp n trên X thì vi phân cấp n của f trên
X được kí hiệu là d f ( x), x ∈ X
n
và xác định theo công thức sau
∀x ∈ X , d n f ( x) = f ( n ) ( x )h n = f ( n ) ( x )dx n
Định lí: Nếu f ,g khả vi đến cấp n trên X thì khi đó
1. d n ( f + g) = d n f + d ng
2. Với λ ∈ R, d n ( λf ) = λd n f
n
d n ( f .g ) = ∑ Cn d k f .d n − k g
k
3. k =0
f
4. Nếu g ( x) ≠ 0 thì g có vi phân đến cấp n.
c. Lớp của một hàm
Định nghĩa
1. Cho n ∈ N , Ta nói f thuộc lớp Cn (kí hiệu f ∈ Cn ) trên X nếu
(n)
f khả vi n lần trên X và f liên tục trên X .
2. Nói rằng f ∈ C∞ trên X nếu f khả vi vô hạn lần trên X .
3. Nói rằng f ∈ C0 trên X nếu f liên tục trên X .
Định lí
Định lí 1: Nếu f , g ∈ Cn trên X thì
1. ( f + g) ∈ Cn trên X
2. λf ∈ Cn trên X ,λ ∈ R
3. fg ∈ C n trên X
f
∈ Cn
4. g trên X khi g ( x) ≠ 0 ∀x ∈ X
Định lí 2: Cho f ∈ RX và g ∈ RY , f (X ) ⊂ Y . Nếu f và g thuộc lớp
Cn thì gof ∈ C n trên X
59
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3.2.4 Các định lý về giá trị trung bình
a. Định lí Phéc ma (Fermat)
Điểm cực trị của hàm số
Cho f ∈ RX . Gọi hàm số đạt cực trị địa phương tại a ∈ X khi và chỉ khi
tồn tại Ω δ (a) ⊂ X, để ∀x ∈ Ω δ (a ) thoả mãn f ( x) − f (a ) ≥ 0 hoặc f ( x) − f (a ) ≤ 0
Trường hợp thứ nhất xảy ra nói rằng f đạt cực tiểu địa phương tại a,
trường hợp sau nói rằng f đạt cực đại địa phương tại a.
Nếu chỉ có f ( x) − f (a ) > 0 hoặc f ( x) − f (a ) < 0 nói rằng hàm số đạt cực
trị địa phương ngặt tại a.
Định lí Fermat
Định lí: Nếu f (x ) khả vi tại a và đạt cực trị địa phương tại a thì
f ' (a) = 0
b. Định lí Rôn (Rolle)
Định lí: Cho f ∈ R [a , b ] thoả mãn.
1. f liên tục trên [a,b]
2. f khả vi trên (a,b)
f ( a ) = f (b ) khi đó tồn tại c ∈ ( a, b) sao cho f ' (c ) = 0
c. Định lí số gia hữu hạn. (định lí Lagơrăng (Lagrange))
Định lí: Cho f ∈ R [a , b ] thoả mãn:
1. Liên tục trên [a,b]
2. Khả vi trên (a,b), khi đó tồn tại c ∈ ( a, b) sao cho
f ( b ) − f ( a ) = (b − a ) f ' ( c )
d. Định lí số gia hữu hạn suy rộng (Định lí Côsi(Cauchy))
Định lí: Cho f , g ∈ R [a , b ] thoả mãn:
1. f ,g liên tục trên [a,b]
2. f ,g khả vi trên (a,b)
3. g ' ( x ) ≠ 0 ∀x ∈ ( a , b ) .
60
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
f (b) − f (a ) f ' (c )
=
Khi đó tồn tại c ∈ ( a, b ) sao cho g (b) − g (a ) g ' (c)
3.2.5 Ứng dụng các định lý về giá trị trung bình
a Công thức Taylo(Taylor), công thức Maclôranh(McLaurin)
Định nghĩa
1. Cho hàm f khả vi đến cấp (n+1) tại a ∈ X tức là f ∈ Cn tại lân cận
của a và có đạo hàm cấp n+1 tại a. Gọi đa thức Pn (x) với deg Pn ( x) ≤ n thoả
mãn điều kiện
Pn( k ) (a) = f ( k ) (a) k = 0, n
là đa thức Taylor của f ( x) tại lân cận điểm a, hay là phần chính qui
của khai triển hữu hạn bậc n tại a của f ( x)
2. Nếu a = 0 thì Pn (x) gọi là đa thức McLaurin của f (x )
Định lí
Pn (x) f ( x)
Nếu là đa thức Taylor của tại lân cận của a thì nó là duy
f ' (a) f ( n ) (a )
Pn ( x) = f (a) + ( x − a) + ... + ( x − a) n
nhất và có dạng 1! n!
Công thức Taylor
Pn (x) f (x )
Cho là đa thức Taylor của tại lân cận của a
rn ( x) = f ( x) − Pn ( x) f ( x)
1. Gọi là phần dư Taylor bậc n tại a của
2. Gọi công thức
n
f ( k ) (a ) f ( n +1) (a + θ ( x − a))
f ( x) = ∑ ( x − a)k + ( x − a) n +1
k =0 k! (n + 1)! là công thức Taylor
bậc n , hay khai triển hữu hạn bậc n hàm f ( x) tại lân cận của a
n
f ( k ) (0) k f ( n +1) (θx) n +1
f ( x) = ∑ x + x
3. Gọi công thức k =0 k! (n + 1)! là công thức
McLaurin bậc n, hay khai triển hữu hạn bậc n của f ( x) tại lân cận của 0.
Công thức McLaurin của các hàm thường dùng
1. f ( x) = e x , ∀x ∈ R .
61
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Ta thấy f ∈ C∞ trên R và f ( k ) (0) = 1 ∀k ∈ N
n
xk
ex = ∑ + 0( x n )
Suy ra k = 0 k!
2. f ( x ) = sin x, ∀x ∈ R, f ∈ C∞
⎛ π⎞ kπ ⎧0 , k = 2m
f ( k ) ( x) = sin⎜ x + k ⎟ ⇒ f ( k ) (0) = sin =⎨
⎝ 2⎠ 2 ⎩(−1) m , k = 2m + 1
n
x 2 m +1
sin x = ∑ (−1)m
m=0 (2m + 1)!
+ 0( x 2 n + 2 )
n
x2m
cos x = ∑ (−1)m (2m)!
+ 0( x 2 n +1 )
Tương tự m =0
.
3. f ( x) = (1 + x)α , α ∈ R, x ∈ X , X phụ thuộc α . Với x ở lân cận của 0
thì f ∈ C∞
f ( k ) ( x) = α (α − 1)...(α − k + 1)(1 + x)α − k
f ( k ) (0) = α (α − 1)...(α − k + 1)
n
α (α − 1)...(α − k + 1)
(1 + x)α = 1 + ∑ x k + 0( x n )
Suy ra k =1 k! .
4. f ( x ) = ln(1 + x) , ở lân cận 0 thì f ∈ C∞
n!
f ( n +1) ( x) = (−1) n ⇒ f ( n +1) (0) = (−1) n .n!
( x + 1) n +1
x2 xn
ln(1 + x) = x − + ... + (−1) n −1 + 0( x n )
2 n
5. f ( x ) = arctgx , ∀x ∈ R
⎧0 nÕu k = 2m
f ∈ C ∞ , f ( k ) (0) = ⎨ m −1
⎩(−1) (2m − 2)!, nÕu k = 2m + 1
x3 x5 (−1) m −1 2 m −1
arctgx = x − + + ... + x + 0( x 2 m )
Vậy 3 5 2m − 1
6. f ( x) = tgx, f ∈ C∞ ở lân cận của 0.
62
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Ta biểu diễn
x3 x5
x−
+ 3
sin x 3! 5! = x + x + 0( x 3 )
tgx = =
cos x x2 x4 3
1− +
2! 4!
b. Qui tắc Lôpitan (L’Hospital)
Cho a ∈ X , f , g ∈ RX thoả mãn các điều kiện sau:
1. liên tục tại a và khả vi ở lân cận Ω δ (a ) \ {a}
g ' ( x) ≠ 0 ∀x ∈ Ω δ (a ) \ {a}
2.
f ' ( x)
lim =l
3.
x→a g ' ( x)
f ( x) − f (a)
lim =l
Khi đó
x→a g ( x) − g (a) .
3.2.6 Sự biến thiên của hàm số
a. Tính đơn điệu của hàm khả vi
Định lí 1: Cho f ∈ R [a , b ] thỏa mãn:
1. f liên tục trên đoạn [a,b]
2. f khả vi trên khoảng (a,b)
3. f ' ( x) = 0, ∀x ∈ ( a, b) khi đó f(x) không đổi trên [a,b]
Định lí 2: Cho f liên tục trên [a,b], khả vi trên (a,b). Để f tăng trên
[a,b] thì cần và đủ là f ' ( x) ≥ 0, ∀x ∈ (a, b)
Định lí 3: Cho f liên tục trên [a,b], khả vi trên (a,b). Để f tăng ngặt
trên [a,b], điều kiện cần và đủ là
a. f ' ( x) ≥ 0, ∀x ∈ ( a, b)
b. Tập {x ∈ (a, b), f ' ( x) = 0} không chứa bất kỳ một khoảng có phần
trong không rỗng nào.
b. Điều kiện hàm số đạt cực trị
Định lí 1: Cho f ∈ R . Nếu tồn tại lân cận Ω δ (a ) ⊂ X và f ' ( x) ≥ 0
X
trên
( a − δ , a ) và f ' ( x ) ≤ 0 trên ( a + δ , a ) thì f có một cực đại tại a.
63
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Định lí 2: Cho f ∈Cn tại lân cận Ω δ (a ) và thỏa mãn điều kiện:
f ' (a ) = ... = f ( n −1) (a ) = 0, f ( n ) (a ) ≠ 0
Khi đó:
a. Nếu n chẵn thì f(x) đạt cực trị tại a: đạt cực tiểu nếu
f (n)
(a) > 0 , đạt cực đại nếu f ( n ) (a) < 0 .
b. Nếu n lẻ thì f(x) không đạt cực trị tại a.
3.2.7 Bài toán tìm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất
Bài toán: Cho hàm số f (x) xác định trên tập X . Tìm giá trị bé nhất
(GTBN) , giá trị lớn nhất (GTLN) của hàm số trên tập đó.
Nói rằng hàm f (x) đạt GTBN là m tại x1 ∈ X khi và chỉ khi :
m = f ( x1 ) ≤ f ( x), ∀x ∈ X
Nói rằng hàm f ( x) đạt GTLN là M tại x 2 ∈ X khi và chỉ khi:
M = f ( x 2 ) ≥ f ( x), ∀x ∈ X
a. Hàm liên tục trên đoạn kín [a,b]
Theo tính chất liên tục của hàm số trên một đoạn kín bao giờ cũng tồn
tại m,M. Theo định lý Fermat nếu hàm khả vi tại x0 và đạt cực trị tại đó thì
f’(x0)=0. Vì cực trị có tính địa phương nên các điểm tại đó hàm đạt GTBN,
GTLN chỉ có thể là hoặc các điểm tại đó hàm số không khả vi hoặc các
điểm làm đạo hàm triệt tiêu hoặc các điểm a,b. Từ đó các quy tắc tìm m, M
tương ứng x1, x2 như sau:
Tìm các giá trị f(a), f(b).
Tìm các giá trị của hàm số tại các điểm hàm số không khả vi.
Tìm giá trị của hàm số tại các điểm làm triệt tiêu đạo hàm f’(x).
So sánh các giá trị tìm được ở trên để tìm ra giá trị bé nhất, đó là
m, tìm ra giá trị lớn nhất, đó là M.
b. Hàm liên tục trên khoảng mở, khoảng vô hạn
Trong trường hợp này, thay vì tính f(a), f(b), ta tìm giới hạn của hàm số
khi x dần tới a, dần đến b, hoặc dần đến ∞ . Tuy nhiên phải xem xét hàm số có
đạt được giới hạn này không. Các bước tiếp theo thực hiệm như mục trên.
64
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3.2.8 Hàm lồi
a. Khái niệm về hàm lồi, hàm lõm và điểm uốn
Định nghĩa
1. Ánh xạ f :X →R được gọi là lồi nếu
∀x1 , x 2 ∈ X , ∀λ ∈ [0,1], f (λx1 + (1 − λ ) x2 ) ≤ λf ( x1 ) + (1 − λ ) f ( x2 )
Nói rằng f là lõm khi và chỉ khi –f là lồi.
2. Cho f ∈ R . Giả sử X = [a, b] ∪ [b, c] mà f lồi (lõm) trên [a,b], f
X
lõm (lồi) trên [b,c] . Khi đó điểm U(b,f(b)) gọi là điểm uốn của đồ thị Cf
của hàm số. Như vậy điểm uốn là điểm phân biệt giữa các cung lồi và cung
lõm của đồ thị hàm số.
Định lí 1: Để f là lồi trên X điều kiện cần và đủ là ∀a ∈ X , tỷ số gia tại
a của f tăng trên X \ {a} , tức là
f ( x) − f (a)
τ a ( x) =
x−a tăng trên X \ {a} .
Định lí 2 : ( Bất đẳng thức Jensen)
f ∈RX n ∈ N * , x 1 , x 2 ,..., x n ∈ X ; λ1 , λ 2 ,..., λ n ∈ [0,1]
Nếu lồi , sao cho
n ⎛ n
⎞ n
∑λ k =1 f ⎜ ∑ λk xk ⎟ ≤ ∑ λk f ( xk )
k =1 thì sẽ có ⎝ k =1 ⎠ k =1
b. Điều kiện hàm lồi
Định lí 1: Giả sử f là lồi trên X khi đó f khả vi phải và trái tại mọi
điểm trong của X và ∀a, b, c ∈ X sao cho a 0)
x
Câu 34. Tìm cực trị các hàm số sau:
2 2
2
a. y = x (1 − x x ) b. y = x ( x + 2) c. y = x3 + (x − 2) 3
x2
− 1 + ln x x x
d. y = xe 2 e. y = f. y = 2 cos + 3 cos
x 2 3
g. y = sin x 2 h. y = ln 1 + x 2 − arctgx
Câu 35. Chứng minh các đẳng thức sau:
x
a. arctgx = arcsin
1 + x2
x
b. arcsin x = arctg
1 − x2
Câu 36. Chứng minh các bất đẳng thức sau:
⎛ π⎞
a. sin x + tgx ≥ 2 x, x ∈ ⎜ 0, ⎟
⎝ 2⎠
1
b. cos x > 1 − x 2 , ∀x > 0
2
tgα tgβ π
c. < , 0 x + , 0< x
3 − , ∀x > 1
x
i. 2 x.arctgx ≥ ln(1 + x 2 ) ∀x
2( x − 1)
k. ln x > , ∀x > 1
x +1
arctgx
l. ln(1 + x) > , ∀x > 0
1+ x
Câu 37. Chứng minh tính duy nhất nghiệm của các phương trình sau:
a. 2 x + sin x + cos x = 0
2 3
b. x − 2 x 2 + 1 = 0, x≤0
3
c. a x + b x = c x , 0 < a < c,0 < b < c
a+x
d. x = a 2 + 2 sin , ∀a
2
e. x 3 + sin 2 ax + cos3 a = 0, ∀a
Câu 38. Tìm giá trị lớn nhất, bé nhất của các hàm số:
1− x + x2
a. y = , 0 ≤ x ≤1
1+ x + x2
a2 b2
b. y = + , 0 < x < 1, a > 0, b > 0
x 1− x
π
c. y = 2tgx − tg 2 x, 0≤ x
0)
x x
Câu 41. Khảo sát hàm số sau:
ln x 4 1
a. y = (2 + x 2 )e − x b. y =
2
c. y = +
x x x4
x 1
e. y = ⎛1 + ⎞
1 1
d. y = ⎜ ⎟ f. y = ex −x
sin x + cos x ⎝ x⎠
3.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG III
1 1
Câu 1. a. f / ( x) = , b. f / ( x) = 1 − ,
2x + 1 x2
1 1 1
c. f / ( x) = − − , d. f / ( x) = ,x≠0
x2 3
2 x
2x 2
⎧2 x(1 − x 2 )e − x , x ≤ 1
2
/ 2 ⎪
Câu 2. a. y = ( x − 1) x + 1 (5 x − 1) b. y = ⎨ /
⎪0, x > 1
⎩
⎧ n−2 ⎛ 1 1⎞
⎪ x ⎜ nx sin − cos ⎟, x ≠ 0, n ≥ 2
c. y / = ⎨ ⎝ x x⎠ d. y / = 2 x
⎪0, x = 0
⎩
2 2
Câu 5. a. f p/ (0) = 1, f t / (0) = −1 , b. f p/ (0) = − , f t / ( 0) =
a a
c. f p/ (0) = 0, f t / (0) = 1, d. f / ( 0) = 0
76
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
1
1/ / 1 / 1 sin 2 2
Câu 6. a. y = b. y = , c. y = − e x sin ,
sin x x2 +1 x2 x
2
4x 1 ⎛/ 1 ⎞ 1
d. y = /
, e. y = − ⎜1 + 3 ⎟ , f. y / = ,
1 + x4 x x⎝ x⎠ x2 + 1
2(ln x + 1) x−a
g. y / = , h. y / = ,
x 2 ln 2 x − 1 (2ax − x ) 2 3
2 20 sin 4 x
i. y / = , k. y / = ,
x − ax 5
(1 + cos 4 x) 6
⎛1 − x ⎞
sin 2⎜⎜1 + x ⎟
⎟
⎝ ⎠ x2 −1
l. y / = 2
, m. y / = ,
x (1 + x ) ⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
2 x 2 cos 2 ⎜ x + ⎟ 1 + tg ⎜ x + ⎟
⎝ x⎠ ⎝ x⎠
1 1
n. y / = , o. y / =
(1 + x) 2 x(1 − x) x log 5 x. log 3 (log 5 x) ln 2. ln 3. ln 5
2
+1
Câu 7. a. y / = x x (2 ln x + 1) .
cos x ⎛ cos x 2
⎞
/
b. y = (sin x) ⎜
⎜ sin nx − sin x ln sin x ⎟,
⎟
⎝ ⎠
57 x 2 − 302 x + 361 ( x + 1) 2 4 x − 2
/
c. y = .
20( x − 2)( x − 3) 5
( x − 3) 2
x
⎛ x ⎞ ⎛ 1
/ x ⎞
d. y = ⎜ ⎟ ⎜ + ln ⎟.
⎝ x + 1⎠ ⎝ x + 1 x + 1⎠
⎡ 2 x sin x ⎤
e. y / = ( x 2 + 1) sin x ⎢ + cos x ln( x 2 + 1)⎥.
⎣ x2 +1 ⎦
/ x 4 + 6 x 2 + 1 x ( x 2 + 1)
f. y = 3 .
3 x(1 − x 4 ) ( x 2 − 1) 2
1 − ln x
g. y / = y .
x2
77
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
2
h. y / = y (ln 2 + − 1 − ln x)
x
1
i. y/ = x
x x +1 ln x(ln x − 1).
e
1
k. y/ = (cot gx ln cos x + tgx ln sin x).
ln 2 cos x
dx
Câu 8. a. dy = − 2
. b. Δf (1) = Δx + 3(Δx) 2 + (Δx) 3 , df (1) = Δx .
sin x
10
d. 10 3 ≈ 1,9955... e. dy (1) = 0,3466.
b t
Câu 9. a. y x = − tgϕ ,
/ /
b. y x = ,
a 2
1+ t2 / t
c. /
yx = , d. y x = cot g .
t ( 2 + 3t − t 2 ) 2
1 ⎛ sin x ⎞
Câu 10. a. 1 − 4 x 3 − 3x 6 , b. 2
⎜ cos x − ⎟,
2x ⎝ x ⎠
c. − cot gx.
Câu 13. a. y (n)
[ x
= 2 + ( −1) 2 n −x
]ln n
2, b. y (n)
= ( −1) n −1 (n − 1)! a n
,
(ax + b) n
n! ( ad − bc )(−c ) n −1 ( −1) n −1 ( 2n − 3)!!
c. y ( n ) = , d. y ( n ) = ,
(cx + d ) n +1 2 n
x 2 n −1
(n) ( 2n + 1)!! (n) (−1) n −1 (2n − 3)!!
e. y = x, f. y = 2 n +1
( x − 2n + 1).
2n n
2 x 2
Câu 14.
a. y (20) = ( x 2 − 379) sin x − 40 x cos x.
10 n!
b. y (10) = e x ∑ (−1) n C10
n
.
n =0 x n +1
n
⎛ kπ ⎞
c. y ( n ) = e x ∑ C n sin ⎜ x +
k
⎟.
k =0 ⎝ 2 ⎠
78
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
1⎧ ⎡ nπ ⎤ ⎡ nπ ⎤ ⎫
d. y ( n) = ⎨(a − b) n cos⎢(a − b) x + − (a + b) n cos⎢(a + b) x + ⎬.
2⎩ ⎣ 2 ⎥
⎦ ⎣ 2 ⎥⎭
⎦
197!!(399 − x)
e. y (100) = .
2100 (1 − x)100 1 − x
(−1) n +1 .1.4...(3n − 5)(3n + 2 x)
f. . y ( n) =
1
.
n+
3 n (1 + x) 3
⎧ b
n ⎪sin ϕ =
⎪ a2 + b2
g. y ( n ) = e ax (a 2 + 2 2
b ) sin(bx + c + nϕ ) . ⎨
⎪cos ϕ = a
⎪
⎩ a2 + b2
Câu 26. a. x1 ∈ (−2;−1), x 2 ∈ ( −1;1), x 3 ∈ (1;2). b. f (0) = f (1)
1
Câu 29. a. a = 0; b = , b. k = 0.
2
1 π2
Câu 30. a. 0, b. ∞ , c. 1, d. ∞, e. , f. .
2 2
1 p−q 1
Câu 31. a. , b. 0, c. 0, d. , e. , f. –1
2 2 12
1 1 2
(ln a −ln 2 b )
3
Câu 32. a. 1, b. 1, c. e d. e3 e. e f. e 2
Câu 33. a. Tăng [0,+∞) không có cực trị.
⎛ 1⎤ ⎡1 ⎞
b. Tăng ⎜ 0, ⎥ , giảm ⎢ ,+∞ ⎟ , xCĐ = 1 .
⎝ e⎦ ⎣e ⎠ e
c. Giảm (− ∞;−1], tăng [1;+∞ ) .
d. Giảm (− ∞;0 ), (0;1), tăng [1;+∞ ) , xCT = 1 .
⎡3 ⎤ ⎡ 3 ⎤ 3
e. Giảm ⎢ a; a ⎥ , tăng ⎢0; a ⎥, xCD = a.
⎣4 ⎦ ⎣ 4 ⎦ 4
⎛ 2 63 4⎞
Câu 34. a. min (0;0), max ⎜ 23
⎜ ; ⎟.
⎝ 49 7 7 ⎟
⎠
b. min (0;0), max (−1;1).
c. min (0; 3 4 ), min (2; 3 4 ), max (1;2).
79
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
d. min ⎜ − 1;− ⎟, max ⎜1; ⎟.
⎝ e⎠ ⎝ e⎠
e. max (1;1).
⎡ ⎛ 1⎞ π⎤
f. min ⎢12⎜ k ± ⎟π ;−5 cos ⎥, min [6(2k + 1)π ;1],
⎣ ⎝ 5 ⎠ 5 ⎦
⎡ ⎛ 2⎞ 2π ⎤
max (12kπ ;5), max ⎢12⎜ k ± ⎟π ;5 cos .
⎣ ⎝ 5⎠ 5 ⎥
⎦
⎛ 4n + 1 ⎞
g. min (0;0), max ⎜ ±
⎜ π ;1⎟.
⎟
⎝ 2 ⎠
⎛ 1 π⎞
h. min ⎜1; ln 2 − ⎟.
⎝ 2 4⎠
1 π
Câu 38. a. m = , M = 1. b. m = (a + b) 2 . c. M = 1. d. m = 0, M = .
3 4
Câu 39. a. x = 0. b. y=0 . c. y = 0.
1 1
d. y = −2, y = 2( x − 1). e. x = − , y = x+ .
e e
f. x=0, y=x
Câu 40. a. xU = {0;±6} b. xU = {− 1;−3}.
3
c. φ. d. xU = ae 2 .
80
Chương 4: Phép tính tích phân
3.
4.
5. CHƯƠNG IV: PHÉP TÍNH TÍCH PHÂN
4.1 MỤC ĐÍCH
Phép tính tích phân là phép tính cơ bản thứ hai của toán cao cấp. Đây là
phép tính ngược của phép tính vi phân. Chính vì thế để tính tích phân nhanh
chóng, chính xác cần thông thạo phép tính đạo hàm của hàm số.
Trong mục thứ nhất của chương này cần nắm vững định nghĩa tích phân
xác định. Bản chất của nó là phép tính giới hạn của một dãy số được tạo ra theo
một nguyên tắc nhất định (lập tổng tích phân) từ hàm số f(x) xác định trên đoạn
[a,b]. Sau khi hiểu được lớp các hàm khả tích sẽ thấy rõ khái niệm tích phân xác
định học ở phổ thông trung học chỉ là một trường hợp riêng của khái niệm tích
phân xác định được trình bày ở mục này. Cụ thể là công thức Newton-Leibnitz
chỉ được áp dụng khi hàm dưới dấu tích phân liên tục trên đoạn [a,b]. Người
học phải nắm được điều kiện cần của hàm khả tích để sau này phân biệt với tích
phân suy rộng. Bên cạnh đó phải biết vận dụng các tính chất của tích phân xác
định bởi vì nhờ có tính chất này và các tích phân cơ bản mà ta có thể tính được
các tích phân phức tạp hơn. Cần hiểu được nguyên hàm của hàm số là gì và
phân biệt tích phân xác định với tích phân bất định.
Trong mục thứ hai cần nắm vững hai phương pháp cơ bản để tính tích phân
xác định: Phương pháp tích phân từng phần và phương pháp đổi biến số. Cần
hiểu rằng phần lớn các tích phân chỉ được tính bằng một phương pháp duy nhất.
Do đó trước hết phải phân loại sau đó mới đi vào tính toán. Nắm chắc các điều
kiện đối với hàm số khi thực hiện phép đổi biến số. Lưu ý rằng khi thực hiện
phép đổi biến số thì cận của tích phân cũng biến đổi theo.
Mục thứ ba trình bày phương pháp tính tích phân bất định. Ngoài hai
phương pháp cơ bản cần phải thuộc cách đổi biến thích hợp cho từng trường
hợp: hàm hữu tỉ, hàm hữu tỉ lượng giác, hàm vô tỉ,....
Mục thứ tư gồm các ứng dụng mang tính chất hình học của tích phân xác
định: diện tích hình phẳng, thể tích vật thể, độ dài cung. Phải chú ý đến tính
chất biên của các hình rồi mới áp dụng các công thức tính thích hợp: trong hệ
tọa độ đề các, tọa độ cực. Sau này còn được biết nhiều ứng dụng rộng rãi của
tích phân xác định.
81
Chương 4: Phép tính tích phân
Trong mục thứ năm người học phải hiểu rõ tích phân suy rộng, ý nghĩa
hình học của nó. Phân biệt sự khác nhau giữa tích phân suy rộng và tích phân
xác định. Nắm vững khái niệm hội tụ, phân kỳ của tích phân suy rộng. Khi sử
dụng tiêu chuẩn hội tụ của lớp hàm giữ nguyên dấu cần phải dùng đến phép so
sánh các vô cùng bé, vô cùng lớn. Cần nắm vững khái niệm hội tụ tuyệt đối,
bán hội tụ của tích phân suy rộng, bởi vì các nội dung trên sẽ gặp ở trong
chương tiếp theo. Cũng cần nhớ rằng rất nhiều vấn đề kỹ thuật gắn liền với việc
tính các tích phân suy rộng.
4.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
4.2.1 Khái niệm về tích phân xác định
a. Định nghĩa tích phân xác định
Cho f : [a, b] → R , a < b
1. Ta gọi một họ hữu hạn các điểm ( xi ) , i = 0, n sao cho
a = x0 < x1 < ... < xn −1 < xn = b
là một phân hoạch (hay một cách chia) đoạn [a, b] và gọi λ = 0Max1 Δxi ,
≤i ≤ n −
trong đó Δxi = xi +1 − xi , i = 0, n − 1 là bước của phân hoạch đã chọn. Tập phân
hoạch là (℘n )
2. Ta gọi một cách chọn ứng với phân hoạch là một cách lấy n điểm ξi ,
sao cho ξi ∈ [xi , xi +1 ] , i = 0, n − 1
n −1
3. Ta gọi số thực σ = ∑ f (ξ i )Δxi là tổng Riơman (Riemann) của hàm
i =0
fứng với một phân hoạch và một cách chọn.Rõ ràng với f ∈ R [a , b ] sẽ có dãy
vô hạn tổng Riemann σ Kí hiệu là (σ n ) .
4. Nếu λ → 0 mà σ n → I hữu hạn ( không phụ thuộc vào cách chia đoạn
[a,b] và cách chọn các điểm ξ i ứng với cách chia đó ) thì I gọi là tích phân
b
xác định của f trên [a, b] , Kí hiệu là ∫ f ( x)dx , khi đó nói rằng f khả tích trên
a
b n −1
[a, b] Như vậy ∫ f ( x)dx = lim ∑ f (ξ i )Δxi
λ →0
a i =0
82
Chương 4: Phép tính tích phân
b . Điều kiện tồn tại
Điều kiện cần
Định lí: Nếu f khả tích trên [a,b] thì f bị chặn trên [a,b]
Các tổng Đácbu (Darboux)
Cho f : [a, b] → R và phân hoạch ( xi ) xác định (i = 0, n)
Đặt mi = Inf f , M i = Sup f , i = 0, n − 1 .
[xi , xi +1 ] [ xi , xi + 1 ]
n −1 n −1
Ta gọi s = ∑ mi Δxi , S = ∑ M i Δxi là các tổng Darboux dưới và trên, hay tổng
i =0 i =0
tích phân dưới và tổng tích phân trên của f ứng với một phân hoạch xác định.
Vì rằng mi ≤ f (ξ i ) ≤ M i , ∀ξ i ∈ [xi , xi +1 ] nên s ≤ σ ≤ S .
Một phân hoạch đã định thì s, S là hằng số, tổng Riemann phụ thuộc vào
ξi ∈ [xi , xi +1 ] i = 0, n − 1 . Chứng tỏ các tổng Darboux là cận dưới đúng và cận
trên đúng của σ
Hệ quả 1: Nếu thêm vào điểm chia mới thì s tăng và S giảm.
Hệ quả 2: Mọi tổng Darboux dưới không vượt quá một tổng Darboux
trên.
Điều kiện cần và đủ để hàm khả tích
Định lí: Để cho hàm f khả tích trên [a,b] điều kiện cần và đủ là
lim ( S − s ) = 0
λ →0
c. Lớp các hàm khả tích.
Định lí 1: Nếu f (x ) liên tục trên [a,b] thì khả tích trên đoạn đó
Định lí 2: Nếu f (x ) đơn điệu và bị chặn trên [a,b] thì khả tích trên đoạn
đó.
Hệ quả: Nếu f (x) liên tục từng khúc trên [a,b] thì khả tích trên đoạn đó.
Dưới đây ta đưa ra các định lí và sẽ không chứng minh, về một lớp hàm
khả tích, lớp hàm này chứa tất cả các lớp hàm đã xét ở trên
Định lí 3: Nếu f (x) bị chặn trên [a,b] và chỉ có hữu hạn điểm gián đoạn thì
f (x ) khả tích trên [a,b]
83
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí 4: Nếu f (x ) khả tích trên [a,b] thì f ( x) , k. f ( x) (k = const) cũng khả
tích trên [a,b].
Định lí 5: Nếu f , g khả tích trên [a,b] thì tổng, hiệu, tích của chúng cũng
khả tích trên [a,b]
Định lí 6: Nếu f khả tích trên [a,b] thì khả tích trên mọi đoạn [α , β ] ⊂ [a, b] .
Ngược lại nếu [a,b] được tách ra thành một số đoạn và trên mỗi đoạn đó
hàm khả tích thì f khả tích trên [a,b].
d. Các tính chất của tích phân xác định
Tính chất
Cho f , g khả tích trên [a,b] và a 0 thì ∫ f ( x)dx > 0
a
b b
7. ∫ f ( x)dx ≤ ∫ f ( x) dx
a a
b
8. Nếu m ≤ f ( x) ≤ M , ∀x ∈ [a, b] thì m(b − a) ≤ ∫ f ( x)dx ≤ M (b − a)
a
Định lí tổng quát về giá trị trung bình
84
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí: Cho f , g khả tích trên [a,b], a a
dx 1 1
Nếu n ∈ N* \ { }
1 thì ∫ =− . +C
( x − a)n n − 1 ( x − a ) n −1
Tích phân các phân thức tối giản loại thứ hai
87
Chương 4: Phép tính tích phân
λx + μ
I= ∫ (ax 2
+ bx + c) n
dx , λ , μ , a, b, c ∈ R và b 2 − 4ac < 0, n ∈ N *
Nếu λ = 0
dx
I = μ∫
(ax + bx + c) n
2
Δ ⎧ ⎛ 2ax + b ⎞ ⎫
2
⎪ ⎪
Biến đổi ax + bx + c = − ⎨1 + ⎜
2
⎟ ⎬ , Δ = b − 4ac
2
4a ⎪ ⎝ − Δ ⎠
⎩ ⎪
⎭
2ax + b
Thực hiện đổi biến t=
−Δ
n
−Δ
Suy ra I = μ ⎛ −
4a ⎞ dt
⎜
⎝ Δ⎠
⎟
2a ∫ (1 + t 2 )n
dt
Dẫn đến tính J n (t ) = ∫ (1 + t 2 n
)
bằng phương pháp truy toán.
dt
Trước hết J1 (t ) = ∫1+ t 2
= arctgt + C
Tích phân từng phần sẽ có
t t 2 dt
J n (t ) = + 2n ∫
(1 + t 2 ) n (1 + t 2 ) n +1
t
Jn = + 2 n ( J n − J n +1 )
(1 + t 2 ) n
t
2nJ n +1 = (2n − 1) J n +
(1 + t 2 ) n
Nếu λ ≠ 0.
2 aμ
2ax +
λ λ
2a ∫ (ax 2 + bx + c) n
I= dx
λ 2ax + b λ ⎛ 2aμ ⎞ dx
2a ∫ (ax
= dx + ⎜ − b ⎟∫
2
+ bx + c) n
2a ⎝ λ ⎠ (ax + bx + c)
2 n
Tích phân thứ nhất tính được nhờ phép đổi biến u = ax 2 + bx + c
2ax + b du 1 1
∫ (ax 2
+ bx + c) n
dx = ∫ n =
u 1 − n (ax + bx + c) n −1
2
+C
Tích phân thứ hai tính theo Jn đã trình bày ở trên.
88
Chương 4: Phép tính tích phân
d. Tính nguyên hàm các phân thức hữu tỉ đối với một số hàm thông dụng
Hàm hữu tỉ đối với sin và côsin
1. Trường hợp tổng quát.
Xét ∫ R(sin x, cos x)dx trong đó R là ‘’phân thức hữu tỉ hai biến’’
x
Thực hiện phép đổi biến: t = tg . Khi đó
2
2t 1− t2 2dt
sin x = , cos x = , dx =
1+ t 2
1+ t 2
1+ t2
P (t )
Khi đó đưa về dạng ∫ dt
Q (t )
Tuy nhiên bậc của P (t ) và Q(t ) thường là cao, làm cho quá trình tính
toán rất nặng nhọc. Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt, với cách đổi
biến thích hợp sẽ tính toán dễ dàng hơn.
2. Trường hợp đặc biệt thứ nhất.
• Nếu R (sin x, cos x ) = R ( − sin x,− cos x) thì đổi biến t = tgx hoặc t = cot gx
• Nếu R (sin x, cos x ) = − R (sin x,− cos x ) thì đổi biến t = sin x
• Nếu R (sin x, cos x ) = − R ( − sin x, cos x) thì đổi biến t = cos x
3. Trường hợp đặc biệt thứ hai.
Khi R(sin x, cos x) = sin m x. cos n x , m, n ∈ Z
• Nếu m lẻ thì đổi biến t = cos x
• Nếu n lẻ thì đổi biến t = sin x
• Nếu m, n chẵn và không cùng dương thì đổi biến t = tgx
• Nếu m, n chẵn và cùng dương thì tuyến tính hoá sau đó tính
nguyên hàm.
Hàm hữu tỉ đối với shx và chx
Vì đạo hàm của các hàm shx và chx tương tự như các hàm sin x và cos x ,
mà ∫ R(sin x, cos x)dx có phép đổi biến tương ứng là
89
Chương 4: Phép tính tích phân
x
t = tg
2
, t = cos x , t = sin x , t = tgx , cho nên ∫ R(shx, chx)dx có phép đổi biến
x
tương ứng là t = th , t = chx , t = shx , t = thx
2
Hàm hữu tỉ đối với eαx , α ∈ R
Xét ∫ f (e )dx , trong đó là hàm hữu tỉ. Thực hiện phép đổi biến
αx
I= f (x )
t = eαx , dt = αeαx dx , Khi đó
1 f (t )
α∫
I= dt
t
ax + b
Hàm hữu tỉ đối với x và n
cx + d
⎛ ax + b ⎞
Xét I = ∫ R ⎜ x, n
⎜
⎟dx trong đó R ( x, y ) là hàm hữu tỉ của hai biến x, y
⎝ cx + d ⎟
⎠
ax + b
Với y = n thoả mãn điều kiện ad ≠ bc
cx + d
Thực hiện phép đổi sang biến y thì
⎛ y n d − b ⎞ ny n −1 (ad − bc)
R( x, y )dx = R⎜
⎜ a − cy n , y ⎟ (a − cy n ) 2 dy
⎟
⎝ ⎠
= f ( y ) dy
Trong đó f ( y) là hàm hữu tỉ của y.
4.2.4 Một số ứng dụng của tích phân xác định
a. Tính diện tích hình phẳng
Miền phẳng giới hạn bởi các đường cong trong toạ độ Đềcác(Descartes)
Giả sử miền phẳng D giới hạn bởi các đường:
trong đó f1 , f 2 liên tục từng khúc
x = a , x = b , (a < b) , y = f1 ( x) , y = f 2 ( x)
trên [a,b]. Gọi diện tích của miền phẳng D là S. Theo ý nghĩa hình học của
tích phân xác định, nhận được công thức tính S như sau:
b
S = ∫ f1 ( x) − f 2 ( x) dx
a
Tương tự, nếu D giới hạn bởi các đường:
90
Chương 4: Phép tính tích phân
y = c , y = d , (c < d ) , x = g1 ( y) , x = g 2 ( y ) trong đó g1 , g 2 liên tục từng khúc
trên [c,d] thì
d
S = ∫ g1 ( y ) − g 2 ( y ) dy
c
Giả sử miền phẳng D giới hạn bởi đường cong cho dưới dạng tham số:
⎧ x = x(t )
⎨ t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = y (t )
β
∫ y(t ).x (t ) dt
,
Khi đó S=
α
Nếu miền phẳng D giới hạn bởi đường cong có phương trình cho dưới
dạng toạ độ cực.
r = r (ϕ ) , α ≤ϕ ≤ β
Liên hệ giữa toạ độ Descartes và toạ độ cực là:
⎧ x = r (ϕ ) cosϕ
⎨
⎩ y = r (ϕ ) sin ϕ
1 2
2∫
Khi đó S= r (ϕ )dϕ
b. Tính độ dài đường cong phẳng
Phương trình cho trong hệ toạ độ Descartes vuông góc
∩
Giả sử đường cong AB cho bởi phương trình
y = f ( x) , A (a, f (a) ) , B(b, f (b) )
Trong đó f ∈ C1 trên [a, b] , (a < b)
∩
Nếu gọi l là độ dài cung AB thì l được tính theo công thức
b
l = ∫ 1 + f '2 ( x)dx
a
Phương trình cho trong dạng tham số
⎧ x = ϕ (t )
⎨ , t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = ψ (t )
91
Chương 4: Phép tính tích phân
ϕ ,ψ ∈ C1 trên [t0 ,t1 ]
t1
l= ∫
t0
ϕ '2 (t ) + ψ '2 (t )dt
Phương trình cho trong dạng toạ độ cực
r = r (ϕ ) , α ≤ ϕ ≤ β
β
2
l = ∫ r 2 (ϕ ) + r , (ϕ )dϕ
α
c. Tính thể tích vật thể
Công thức tổng quát
Giả sử vật thể (V ) nằm giữa hai mặt phẳng vuông góc với trục Ox, các
mặt phẳng này có phương trình là x = a và x = b , a < b . Các thiết diện của
vật thể (V ) vuông góc với trục Ox nằm trên mặt phẳng có phương trình
x = x0 , x0 ∈ [a, b] có diện tích tương ứng S ( x0 ) . Khi đó thể tích của vật thể
b
(V), kí hiệu là V, tính theo công thức V = ∫ S ( x)dx
a
Công thức tính cho vật thể tròn xoay
Vật thể (V) tròn xoay là vật thể được tạo thành do một hình thang cong
giới hạn bởi các đường: x = a , x = b , (a < b) , y = 0 và y = f ( x) ≥ 0 , x ∈ [a, b]
quay xung quanh trục Ox (xem hình 4.8). Cụ thể hơn, phần không gian
bị chiếm chỗ do hình thang cong quay xung quanh trục Ox gọi là vật thể
tròn xoay.
Như vậy các thiết diện vuông góc với trục Ox là các hình tròn. Diện tích
của thiết diện nằm trên mặt phẳng x = x0 sẽ là π . f 2 ( x0 ) . Từ đó nhận được
b
công thức tính: V = π ∫ f 2 ( x)dx
a
d. Tính diện tích mặt tròn xoay
)
Mặt tròn xoay là một mặt cong được tạo thành do một cung cong AB
quay xung quanh trục Ox tạo ra. Cụ thể hơn: Phần không gian bị chiếm chỗ
)
do cung AB quay xung quanh trục Ox gọi là mặt tròn xoay. Gọi S là diện tích
của mặt tròn xoay, dưới đây chúng ta sẽ đưa ra các công thức tính.
∩
Cung AB cho bởi phương trình y = f ( x) ≥ 0 , a ≤ x ≤ b
92
Chương 4: Phép tính tích phân
b
S = 2π ∫ f ( x) 1 + f '2 ( x)dx
a
∩
Cung AB cho bởi phương trình tham số
⎧ x = x(t )
⎨ , t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = y (t ) ≥ 0
t1
S = 2π ∫ y (t ) x'2 (t ) + y '2 (t ) dt
t0
∩
Cung AB cho bởi phương trình trong hệ toạ độ cực
r = r (ϕ ) , α ≤ ϕ ≤ β
β
S = 2π ∫ r (ϕ ) sin ϕ r 2 (ϕ ) + r '2 (ϕ )dϕ
α
4.2.5 Tích phân suy rộng
a. Tích phân suy rộng với cận vô hạn
Định nghĩa
1. Cho f : [a,+∞) → R , a ∈ R , khả tích trên [a, A] , ∀A > a .
+∞
Tích phân suy rộng của f với cận + ∞ được kí hiệu là: ∫ f ( x)dx
a
+∞
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về số
a
I∈R nếu
A +∞
lim
A → +∞ ∫
a
f ( x)dx = I kí hiệu ∫ f ( x)dx = I
a
Nếu I không tồn tại hoặc I = ∞, thì nói rằng tích phân suy rộng
+∞
∫ f ( x)dx phân kỳ.
a
2. Cho f : (− ∞, a] → R , a ∈ R , khả tích trên [B, a] , ∀B < a
a
Tích phân suy rộng của f với cận −∞, kí hiệu là ∫ f ( x)dx .
−∞
a
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về số J ∈ R nếu
−∞
93
Chương 4: Phép tính tích phân
a a
lim
B → −∞ ∫
B
f ( x) dx = J = ∫ f ( x)dx
−∞
Nếu J không tồn tại hoặc J = ∞ , thì nói rằng tích phân suy rộng
a
∫ f ( x)dx phân kỳ.
−∞
3. Cho f :R→R khả tích trên [A, B] , ∀A, B ∈ R . Tích phân suy rộng
+∞
của f với các cận vô hạn, kí hiệu là: ∫ f ( x)dx .
−∞
+∞
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ khi và chỉ khi các tích
−∞
a +∞
phân suy rộng ∫ f ( x)dx và
−∞
∫ f ( x)dx cùng hội tụ,
a
∀a ∈ R . Trong trường hợp
+∞ a +∞
này kí hiệu ∫
−∞
f ( x)dx = ∫
−∞
f ( x)dx + ∫ f ( x)dx , ∀a ∈ R
a
Rõ ràng nếu f liên tục trên tập xác định của nó, và có nguyên hàm
F (x ) thì có thể dùng kí hiệu Newton-Leibnitz như sau:
+∞
∫ f ( x)dx = lim F ( A) − F (a ) = F ( x) a ∞
+
A → +∞
a
a
∫ f ( x)dx = F (a) − lim F ( B) = F ( x)
a
−∞
B → −∞
−∞
+∞
∫ f ( x)dx = lim F ( A) − lim F ( B ) = F ( x) + ∞
∞
−
A → +∞ B → −∞
−∞
Điều kiện hội tụ của tích phân suy rộng
∞
Sau đây ta xét trường hợp tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx với
a
f ( x) ≥ 0 .
Các trường hợp tích phân suy rộng khác với f (x) giữ nguyên dấu,
chúng ta có thể suy diễn tương tự để nhận được các kết quả tương ứng.
A
Đặt φ ( A) = ∫ f ( x)dx
a
Vì f ( x) ≥ 0 trên [a,+∞ ) , chứng tỏ φ ( A) đơn điệu tăng trên [a,+∞ ) . Từ định
lí về giới hạn của hàm đơn điệu suy ra:
94
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí 1: Cho hàm số f ( x) ≥ 0 và khả tích trên [a, A] , ∀A > a để tích
+∞
phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là tồn tại
a
L∈R sao cho
φ ( A) ≤ L , ∀A
Định lí 2: Cho các hàm số f ( x ), g ( x ) khả tích trên [a, A] , ∀A > a và
0≤ f ( x ) ≤ g ( x ) , ∀x ≥ b > a khi đó
+∞ +∞
Nếu ∫ g ( x)dx
a
hội tụ thì ∫ f ( x)dx hội tụ.
a
+∞ +∞
Nếu ∫ f ( x)dx phân kỳ thì ∫ g ( x)dx phân kỳ
a a
Định lí 3: Cho các hàm số f ( x ), g ( x ) không âm và khả tích trên
[a, A] , ∀A > a . Khi đó:
+∞
f ( x)
1. Nếu = l , l ∈ R+ thì các tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx và
*
lim
x → +∞ g ( x )
a
+∞
∫ g ( x)dx cùng hội tụ hoặc cùng phân kỳ.
a
+∞ +∞
f ( x)
2. Nếu lim
x → +∞ g ( x)
=0 và ∫ g ( x)dx hội
a
tụ thì ∫ f ( x)dx hội tụ
a
+∞ +∞
f ( x)
3. Nếu lim = +∞ và ∫ g ( x)dx phân kỳ thì ∫ f ( x)dx phân kỳ
x → +∞ g ( x) a a
Hệ quả 1: Giả sử với x đủ lớn hàm số f (x ) có dạng:
h( x )
f ( x) = , k > 0 , h( x ) ≥ 0 . Khi đó
xk
+∞
Nếu k > 1 và 0 ≤ h ≤ c < +∞ thì ∫ f ( x)dx hội tụ.
a
+∞
Nếu k ≤ 1 và h( x) ≥ c > 0 thì ∫ f ( x)dx phân kỳ
a
Trong đó c là hằng số.
95
Chương 4: Phép tính tích phân
1
Hệ quả 2: Nếu f ( x) ≥ 0 và là VCB cấp k so với VCB tại + ∞ thì
x
+∞
∫ f ( x)dx hội tụ khi
a
k >1 và phân kỳ khi k ≤ 1
Hệ quả 1 được suy ra trực tiếp từ định lí 2 và ví dụ 1d.
Hệ quả 2 được suy ra trực tiếp từ định lí 3 và ví dụ 1d.
+∞
Định lí 4: Để tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là:
a
∀ε > 0 , ∃A0 > a , ∀A > A0 , ∀A' > A0 ⇒ φ ( A' ) − φ ( A) < ε
A'
Hay ∫ f ( x)dx
A
0 đủ bé. ích
b
phân suy rộng của f trên [a, b] , kí hiệu ∫ f ( x)dx . Nói rằng tích phân suy rộng
a
b −ε b
hội tụ về I∈R nếu lim
ε →0 ∫ f ( x)dx = I , kí hiệu
a
I = ∫ f ( x)dx
a
Nếu không tồn tại giới hạn hữu hạn (không có I hoặc I = ∞) thì nói rằng
b
tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx phân kỳ.
a
3. Cho f : (a, b] → R , f (a + ) = ∞ khả tích trên [a + ε , b]
b
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về J nếu
a
b
lim
ε →0 ∫ f ( x)dx = J (hữu hạn).
a +ε
Nếu không tồn tại J nói rằng tích phân suy rộng phân kỳ.
4. Cho f : [a, b] \ {x o } → R , x o ∈ (a, b) là cực điểm của f
b
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ khi và chỉ khi các tích
a
x0 b
phân suy rộng ∫ f ( x)dx và ∫ f ( x)dx cùng hội tụ, Khi đó kí hiệu:
a x0
b x0 b
∫
a
f ( x) dx = ∫a
f ( x) dx + ∫ f ( x)dx
x0
Điều kiện hội tụ của tích phân suy rộng
Chúng ta giới hạn trường hợp f (x ) giữ nguyên dấu trên (a, b) . Giả sử
f ( x) ≥ 0 trên [a, b ) và f (b − ) = ∞
b −ε
Đặt φ (ε ) = ∫ f ( x)dx
a
97
Chương 4: Phép tính tích phân
Rõ ràng φ (ε ) là hàm số giảm ở lân cận bên phải của điểm 0. Từ định lí
về giới hạn của hàm đơn điệu, chúng ta nhận được định lí sau đây:
b
Định lí: Để tich phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là
a
φ (ε ) bị chặn ở lân cận bên phải điểm ε = 0 , tức là φ (ε ) ≤ L , ∀ε > 0
4.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Nêu định nghĩa tích phân xác định và ý nghĩa hình học của nó.
Câu 2. Điều kiện cần của hàm khả tích là gì?
Câu 3. Trình bày lớp các hàm khả tích.
Câu 4. Nêu các tính chất của tích phân xác định.
Câu 5. Phát biểu định lí tổng quát về giá trị trung bình của tích phân xác định.
Câu 6. Tích phân theo cận trên là gì và tính chất của nó
Câu 7. Thế nào là nguyên hàm của hàm số? Nêu tính chất của nguyên hàm.
Câu 8. Thế nào là tích phân bất định của hàm số? Nêu tính chất của nó.
Câu 9. Nêu công thức Newton-Leibnitz. Ý nghĩa của nó.
Câu 10. Trình bày hai phương pháp cơ bản tính tích phân xác định.
Câu 11. Trình bày hai phương pháp cơ bản tính tích phân bất định.
Câu 12. Viết công thức tính diện tích hình phẳng nhờ vào tích phân xác định.
Câu 13. Viết công thức tính độ dài cung nhờ vào tích phân xác định.
Câu 14. Viết công thức tính thể tích vật thể, giải thích công thức đó.
Câu 15. Viết công thức tính diện tích mặt tròn xoay.
Câu 16. Tích phân suy rộng với cận vô hạn là gì? Thế nào là sự hội tụ của nó?
Câu 17. Tích phân suy rộng với hàm dưới dấu tích phân có cực điểm là gì?
Khi nào tích phân đó hội tụ?
Câu 18. Phát biểu các tiêu chuẩn hội tụ trong trường hợp hàm dưới dấu tích
phân giữ nguyên dấu.
Câu 19. Thế nào là sự hội tụ tuyệt đối, sự bán hội tụ của tích phân suy rộng?
98
Chương 4: Phép tính tích phân
4.4 BÀI TẬP CHƯƠNG IV
Câu 1. Biến đổi về các tích phân đơn giản để tính các tích phân sau:
⎛ a−x ⎞ x4
a. ∫ ⎜ x⎟
a x ⎜1 + 3 ⎟dx
⎝ ⎠
b. ∫ 1 + x 2 dx
dx
c. ∫ aαx .b βx dx d. ∫ x−a + x−b
x 4 dx 1 + ln x
e. ∫ x10 −1
f. ∫
x
dx
3x 2 + 2 dx
g. ∫ x 3 +2 x − 1
dx h. ∫
x cos 2 (1 + ln x)
1− x
i. ∫ 2 x − arcsin x dx j. ∫ dx
1 − x2 1+ x
dx x + (arccos 3 x) 2
k. ∫ (x + x 2 − 1) 2
l. ∫ 1 − 9x2
dx
dx dx
m. ∫ 2 n. ∫ 2
4x − 9 4x + 4x + 5
o. ∫ 3 + 2 x − x 2 dx p. ∫ 3x 2 − 3x + 1dx
dx dx
q. ∫ r. ∫
4x + 4x + 3
2
8 + 6x − 9x2
Câu 2. Dùng phương pháp đổi biến để tính các tích phân sau:
a. ∫ x 2 − 5 x dx b. ∫ x 5 (1 + 2 x 2 )10 dx
dx dx
c. ∫ d. ∫
x 1+ x 2
x x 2 −1
dx dx
e. ∫ x(1 − x)
f. ∫
x ln x. ln(ln x)
xdx 6x
g. ∫ (x 2
+ 2) 3 x 2 + 5
h. ∫ 9 x − 4 x dx
Câu 3. Dùng phương pháp tích phân từng phần:
a. ∫ arctg x dx b. ∫ (arcsin x) 2 dx c. ∫ xshxdx
x arcsin x
d. ∫ (ln x) 2 dx e. ∫ 2 dx
sin x
f. ∫ 1+ x
dx
99
Chương 4: Phép tính tích phân
ln x x cos x
g. ∫ cos(ln x)dx h. ∫ dx i. ∫ dx
x2 sin 3 x
2
⎛ ln x ⎞ 1+ x
j. ∫ ⎜ x ⎟ dx k. ∫ x ln dx l. ∫ arctg 2 x − 1dx
⎝ ⎠ 1− x
x ln( x + 1 + x 2 )dx x2 dx
m. ∫ 1 + x2
n. ∫ (1 + x 2 )2 dx o. ∫ 2 2 2
(a + x )
x
arctgx arcsin
xe ln(sin x) 2 dx
p. ∫ 3
dx q. ∫
sin 2 x
dx r. ∫ 2− x
(1 + x ) 2 2
Câu 4. Tính tích phân các phân thức hữu tỉ:
x4 3x 2 + 2 x + 1
a. ∫ x 2 + a 2 dx b. ∫ ( x + 1)2 ( x 2 + 1) dx
xdx x2 − 1
c. ∫ ( x 2 + 2 x + 2) 2 d. ∫ x 4 + 1 dx
x2 + 1 dx
e. ∫ ( x 4 + x 2 + 1)2 dx f. ∫ 4 dx
x +1
dx x4 + 1
g. ∫ 10 2
x(x + 1)
h. ∫ x6 + 1 dx
Câu 5. Tích phân các hàm vô tỉ:
dx xdx
a. ∫ b. ∫ , a>0
x x2 + 1 4
x 3 (a − x)
dx dx
c. ∫1+ x + x +1
d. ∫
3
( x + 1) 2 ( x − 1) 4
x2 + 2x + 2 1− x
e. ∫ x
dx f. ∫ 1+ x
dx
Câu 6. Tích phân các hàm lượng giác:
dx tgx
a. ∫ b. ∫ dx
cos x.3 sin 2 x sin 2 x
dx dx
c. ∫ x x
d. ∫ 3 tgx
sin cos3
2 2
100
Chương 4: Phép tính tích phân
sin 2 x cos 2
x
e. ∫ sin x + 2 cos x dx f. ∫ 4
sin x + cos 4 x
dx
dx dx
g. ∫ 2 h. ∫
(sin x + 2 cos 2 x) 2 sin( x + a ) sin( x + b)
dx sin x cos sx
i. ∫ j. ∫ dx
sin x − sin a sin x + cos x
sin xdx
k. ∫ 2 + sin 2 x
Câu 7. Tích phân các hàm Hyperbolic:
a. ∫ coth 2 xdx b. ∫ shx.sh 2 x.sh3 xdx
1 + 2 shx
c. ∫ chx + 1dx d. ∫ dx
ch 2 x
Câu 8. Tính các tích phân sau:
⎧1 + x 3 , x > 1
⎪
a. ∫ x x dx b. ∫ f ( x)dx biết f ( x) = ⎨
⎪ x −1 , x ≤ 1
⎩
c. ∫ max (1, x )dx d. ∫ {1 + x − 1 − x }dx
e. ∫ shax. cos bxdx
Câu 9. Tìm công thức truy toán các tích phân sau:
a. ∫ ln n xdx = I n tính I 2 b. ∫ sin n xdx = J n tính J 5
dx
c. ∫ cos n xdx = K n tính K 7 d ∫ 2 2n = Ln
(x − a )
Câu 10. Tìm hàm f (x ) nếu biết:
1 ⎧1 khi 0 < x ≤ 1
a. f ' ( x 3 + 1) = b. f ' (ln x) = ⎨
x2 ⎩x khi 1 < x < +∞
c. f ' (sin 2 x) = cos4 x và f ( 0) = 0
Câu 11. Tính các tích phân sau bằng định nghĩa:
b b
dx
a. ∫ x 2 , (0 < a < b)
a
b. ∫ x m dx , (0 < a < b , m ≠ −1)
a
101
Chương 4: Phép tính tích phân
π
2 1
c. ∫ sin xdx d. ∫ a x dx , (a > 0)
0 0
b
ln x
e. ∫
a
x
, (0 < a < b)
Câu 12. Sử dụng công thức Newton-Leibniz tính các tích phân sau:
2 2
x
a.
−3
∫ x+4
dx b. ∫ 1 − x dx
0
π
2 1
dx dx
c. ∫ a 2 cos2 x + b2 sin 2 x (a, b ≠ 0)
0
d. ∫ 2
x − 2 x cos x + 1
−1
, (0 < α < π )
1 n
a
2
dx 2
x n −1dx
e.
1
∫ 1 − x2
f. ∫
0 a 2 − x2n
, (a > 0 , n ∈ N )
−
2
Câu 13. Tính các tích phân sau bằng phép đổi biến:
π ln 2 1
x sin xdx arcsin x
a. ∫ 1 + 2 cos2 x
0
b. ∫
0
e x − 1dx c. ∫
0 x(1 − x)
dx
3 1 a
dx 1 + x2 dx
d. ∫ 5
e. ∫ 1 + x 4 dx f. ∫x+ a2 − x2
0
(3 + x ) 2 2 1
2
0
1
3 1 3
dx ex x
g. ∫ (2 x
0
2
+ 1) 1 + x 2
h. ∫ 0 e +e
x −x
dx i. ∫ arcsin
0
1+ x
dx
a π
2
x 3
1 + tg 2 x
j. ∫
0
a−x
dx k. ∫ (1 + tgx)2 dx
π
4
Câu 14. Chứng minh các đẳng thức sau:
1
1 x tgx cot gx
dt dt tdt dt
a. ∫ 1 + t 2 = ∫ 1 + t 2 , ( x > 0)
x 1
b. ∫1+ t2 +
1
∫ 1 t (1 + t 2 )
=1
e e
sin 2 x cos 2 x
π
c. ∫ arcsin
0
t dt + ∫ arccos
0
t dt =
4
102
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 15. Tính các tích phân sau bằng phương pháp tích phân từng phần:
π
e2 e
a. ∫ cos(ln x)dx
1
b. ∫ ln x dx
1
e
π π
3 3
x sin x xdx
c. ∫ cos2 x dx
0
d. ∫
π sin
2
x
4
Câu 16. Tính các tích phân sau:
π π
2 2
a. An = ∫ cos x sin nxdx n
(n > 1) b. Bn = ∫ cosn x cos nxdx (n > 1)
0 0
π
e
cos(2n + 1) x
c. Cn = ∫ ln n xdx (n > 1) d. Dn = ∫ dx
1 0
cos x
π π
e. En = ∫ sin x cos(n + 1) xdx
n −1
f. I m, n = ∫ sin m x cosn xdx
0 0
1
g. J m, n = ∫ x m (1 − x)n dx
0
Câu 17. Chứng minh rằng:
π π
2 2
1
a. ∫ cosn x cos(n + 2) xdx = 0 , n ∈ N * b. ∫ cosn x sin(n + 2) xdx = , n ∈ N*
0 0
n +1
Câu 18. Tính các tích phân sau bằng cách sử dụng hỗn hợp các phương pháp:
5 4
2 2 3
x 9 dx x15dx
a. ∫ (1 + x5 )3 b. ∫ c. ∫x 1 + x 2 dx
5
2
0 0
(1 + x )
8 5 0
π π
ln 5
4
x sin x 2
dx ex ex − 1
d. ∫ cos3 x dx
0
e. ∫ 2 cos x + 3
0
f. ∫
0 ex + 3
dx
2 16
dx
g. ∫ h. ∫ arctg x − 1dx
0 x + 1 + ( x + 1)3 1
π
1
2
sin x cos xdx ln(1 + x)
i. ∫ a 2 cos2 x + b2 sin 2 x
0
j. ∫
0
1 + x2
dx
103
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 19. So sánh các tích phân sau:
1 1
a. I1 = ∫ e − x dx và I 2 = ∫ e − x dx
2
0 0
π 2π
b. J1 = ∫ e cos xdx và J 2 = ∫ e− x cos2 xdx
− x2 2
2
0 π
1 1
sin x cos x
c. K1 = ∫ dx và K 2 = ∫ dx
0 1 − x2 0 1 − x2
Câu 20. Chứng minh các bất đẳng thức:
1
1 2
dx π 1
dx
a. 1) d. 0
2a − x
e. y = e− x sin x và y=0 , x≥0 f. x = 0 và x = y 2 ( y − 1)
x2 y 2 x2 y 2
g. + =1 và + =1
a 2 b2 b2 a 2
104
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 23. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường cho bởi phương
trình tham số.
a. x = 3t 2 , y = 3t − t 3
c2 c2 3
b. x = cos t , y = sin t , c 2 = a 2 − b 2
3
a b
c. x = a ( 2 cos t − cos 2t ) , y = a ( 2 sin t − sin 2t )
Câu 24. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường cho trong toạ độ cực.
a. r 2 = a 2 cos 2ϕ b. r 2 + ϕ 2 = 1
p π π
c. r = a cos 5ϕ d. r= , ϕ= , ϕ=
1 − cos ϕ 4 2
Câu 25. Tính độ dài đường cong cho bởi phương trình.
⎧ c2
⎪ x = cos t
3
π ⎪ a
a. y = ln cos x , 0 ≤ x ≤ a < b. ⎨
2 2
⎪ y = c sin 3 t , c 2 = a 2 − b 2
⎪
⎩ b
⎧ x = a(cos t + t sin t )
c. ⎨ d. ϕ = r , 0≤r≤5
⎩ y = a(sin t − t cos t ) , 0 ≤ t ≤ 2π
p π
e. r= , ϕ
0
a b a
b. x 2 + y 2 + z 2 = a 2 , x 2 + y 2 = a 2 , a > 0
c. z 2 = b(a − x) , x 2 + y 2 = ax , a, b > 0
Câu 27. Tính thể tích của vật thể tròn xoay tạo ra khi quay các miền phẳng
giới hạn bởi các đường sau đây xung quanh trục tương ứng.
2
⎛ x ⎞3
a. y = b⎜ ⎟ , 0 ≤ x ≤ a quanh trục Ox
⎝a⎠
b. y = sin x , y=0 , 0≤ x ≤π quanh trục Oy
c. x 2 + ( y − b) 2 = a 2 , 0 < a ≤ b quanh trục Ox
105
Chương 4: Phép tính tích phân
d. y = x 2 , y=4 quanh đường x = 2
Câu 28. Tính diện tích mặt tròn xoay khi quay cung đường cong quanh trục
tương ứng.
a. 3 y − x3 = 0 , 0 ≤ x ≤ a quanh trục Ox
π
b. y = tgx , 0≤ x≤ quanh trục Ox
4
⎧ x = a(t − sin t )
c. ⎨ quanh trục Oy
⎩ y = a(1 − cos t ) , 0 ≤ t ≤ 2π
Câu 29. Tính các tích phân suy rộng sau
+∞ +∞ +∞
dx arctgx dx
a. ∫x 1 + x2
b. ∫ 3
dx c. ∫1+ x 3
a2 0
(1 + x ) 2 2 0
+∞ +∞ +∞
dx
d. ∫x e. ∫e f. ∫ x e dx
2
− x 3 −x
dx
2 x2 − 1 0 0
+∞ +∞ − x +∞
e
g. ∫ x e dx h. ∫ i. ∫x e
n −x 2 −x2
dx dx
0 0 x 0
+∞
sin 2 x
j. ∫ x
dx
0
+∞ +∞
π sin x π
Câu 30. Biết ∫ e dx = và ∫
2
−x
dx =
02
2 0
x 2
Xét sự hội tụ hay phân kì của các tích phân
+∞ +∞
xm
a. ∫ 1 + x n dx
0
(n ≥ 0 , m, n ∈ N ). b. ∫ x λ e− βx dx (a, λ , β > 0)
a
+∞ +∞ +∞
e. ∫ 1 −34 sin 2 x dx
xdx ln x
c. ∫
0 e2 x − 1
d. ∫
x
1 x2 − 1
dx
1 x +3 x
Câu 31. Tính các tích phân suy rộng
π
3 2 1
dx arcsin x
a. ∫
1 4x − x2 − 3
b. ∫ ln(sin x)dx
0
c. ∫0
x
dx
106
Chương 4: Phép tính tích phân
π
1 1
2
ln x (1 − x) n
d. ∫ x cot gxdx
0
e. ∫
0 1 − x2
dx f. ∫ x dx
0
1
0 1
h. ∫ ln(23 −
3
ex
x)
g. ∫1 x3 dx
− −1 x
dx
Câu 32. Xét sự hội tụ hay phân kì của các tích phân sau
1 1 π
dx dx dx
a. ∫ e x − cos x
0
b. ∫e
0
x
−1
c. ∫ sin
0
k
x
π
2 1 1
dx q 1 x
d. ∫ sin p x cosq x e. ∫ x ln x dx f. ∫
p
dx
0 0 0 1 − x4
4.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG IV
ax 2 1 3
Câu 1. a. − +C b. x − x + arctgx + C
ln a x 3
c.
aαxb βx
α ln a + β ln b
+C d.
1
3(b − a )
{ ( x − a) 3
}
− ( x − b)3 + C
1 2
e. ln x 5 + x10 − 1 + C f. (1 + ln x)3 + C
5 3
g. 2 x3 + 2 x − 1 + C h. tg (1 + ln x ) + C
2
i. − 2 1 − x2 − (arcsin x)3 + C j. 1 − x 2 + arcsin x + C
3
k.
3
[
2 3
]
x − ( x 2 − 1)3 − x + C (Nhân cả tử và mẫu với ( x − x 2 − 1) 2 )
l. −
1
9
{ }
1 − 9 x 2 + (arccos 3 x)3 + C (Tương tự bài i)
1 2x − 3
m. ln +C
12 2 x + 3
1 2x + 1
n. arctg +C
4 2
107
Chương 4: Phép tính tích phân
x − 1 ( x − 1) 3 + 2 x − x 2
o. 2 arcsin − +C
2 2
1 1 3
p. (2 x − 1) 3 x 2 − 3 x + 1 + ln 3 x 2 − 3 x + 1 + ( 2 x − 1) + C
4 8 3 2
1
q. ln(2 x + 1 + 4 x 2 − 4 x − 3 ) + C
2
1 3x − 1
r. arcsin +C
3 3
8 + 30 x
Câu 2. a. − (2 − 5 x) 2 + C (Đặt 2 − 5 x = t
375
1 ⎧1 1 1⎫
b. ⎨ (1 + 2 x ) − (1 + 2 x ) + ⎬(1 + 2 x ) + C
2 20 2 10 2 110
(Đặt t = (1 + 2 x 2 )10 )
16 ⎩13 6 11 ⎭
⎛1⎞
d⎜ ⎟
1 + 1 + x2 dx ⎜ x⎟
c. − ln +C (Biến đổi = ⎝ ⎠ )
x x 1 + x2 1
1+ 2
x
1
d. − arcsin +C
x
e. 2 arcsin x + C
f. ln ln(ln x) + C (Đặt ln(ln x ) = t )
g. arctg 3x 2 + 5 + C (Đặt t = 3x 2 + 5 )
1 3x − 2 x
h. ln x +C
2(ln 3 − ln 2) 3 + 2 x
Câu 3. a. − x + (1 + x ) arctg x + C
b. x(arcsin x)2 + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C
c. xchx − shx + C d. x{(ln x − 1) 2 + 1}+ C
e. − x cot gx + ln sin x + C f. 2 1 + x arcsin x + 4 1 − x + C
x ln x + 1
g. (cos ln x + sin ln x) + C h. − +C
2 x
108
Chương 4: Phép tính tích phân
1⎛ x ⎞ 1
i. − ⎜ 2 + cot gx ⎟ + C j. − (ln 2 x + 2 ln x + 2) + C
2 ⎝ sin x ⎠ x
1 − x2 1 + x 2x − 1
k. x − ln +C l. xarctg 2 x − 1 − +C
2 1− x 2
x 1
m. 1 + x 2 ln( x + 1 + x 2 ) − x + C n. − + arctgx + C
2(1 + x ) 2
2
x 1 x x −1
o. + 3 arctg + C , (a ≠ 0) p. e arctgx + C
2a ( a + x ) 2a
22 2
a 2 1+ x 2
x
q. − {x + cot gx ln(e sin x)} + C r. 4 2 + x − 2 2 − x arcsin +C
2
x3 x 1 + x2 1
Câu 4. a. − a 2 x + a 2 arctg + C b. ln + arctgx − +C
3 a x +1 x +1
1⎧ x+2 ⎫
c. − ⎨ 2 + arctg ( x + 1)⎬ + C (Phân tích x 2 + 2 x + 1 = ( x + 1)2 + 1 )
2 ⎩ x + 2x + 2 ⎭
1 ⎛ 1⎞
1− d ⎜1 + ⎟
1 x − 2x + 1
2
x −1
2 2
x dx = ⎝ x⎠
d. ln +C (Biến đổi dx = )
2 2 x2 + 2x + 1 x +1
4
1 ⎛ 1⎞
2
x + 2
2
⎜x+ ⎟ −2
x ⎝ x⎠
x3 + 2 x
e. +C
6( x 4 + x 2 + 1)
Phân tích x 4 + x 2 + 1 = ( x 2 + 1) 2 − x 2 = ( x 2 + x + 1)( x 2 − x + 1)
1 x2 + 2x + 1 1
f. ln + arctg ( 2 x + 1) + arctg ( 2 x − 1) + C
4 2 x − 2x + 1 2 2
2
1 x+ 2 x− 2
Phân tích = −
x + 1 2 2 ( x + 2 x + 1) 2 2 ( x 2 − 2 x + 1)
4 2
1 ⎛ x 10 1 ⎞
g. ⎜ ln + ⎟+C
10 ⎜ x 10 + 1 x 10 + 1 ⎟
⎝ ⎠
1 1 x9 x9
Phân tích = − 10 − 10
x( x10 + 1) 2 x x + 1 ( x + 1) 2
1
h. arctgx + arctgx 3 + C
3
109
Chương 4: Phép tính tích phân
x4 + 1 ( x 4 − x 2 + 1) + x 2 1 x2
Phân tích = 2 = 2 + 6
x 6 + 1 ( x + 1)( x 4 − x 2 + 1) x + 1 x + 1
1 + x2 + 1
Câu 5. a. − ln +C Đặt x = tgt
x
at a t2 + t 2 +1 a t2 −1
b. − + ln + arctg +C
1+ t4 4 2 t2 − t 2 +1 2 2 t 2
x
Với t = 4 và xem kết quả bài 4.f.
a−x
1 x 1 2
c. x + ln( x + x + 1) + − x + x +C Đặt x + x + 1 = t
2 2 2
3 3 x +1 x −1
d. − +C Đặt 3 =t
2 x −1 x +1
x + 2 + 2( x 2 + 2 x + 2)
e. x + 2 x + 2 + ln( x + 1 + x + 2 x + 2 ) − 2 ln
2 2
+C
x
x2 + 2x + 2 1 2x + 2 1 2
Biến đổi = + +
x 2 x2 + 2x + 2 x2 + 2x + 2 x x2 + 2x + 2
dx x + 2 + 2( x 2 + 2 x + 2)
Tính ∫x x2 + 2x + 2
= 2 ln
x
+C
1
bằng cách đặt x=
t
f. ( x − 2) 1 − x − arcsin x + C
1− u
Hai bước đổi biến : u = x , t =
1+ u
1 (1 + t ) 2 (t 2 + t − 1) 3 3t
Câu 6. a. ln + arctg +C Với t = 3 sin x
4 (1 − t ) (t − t + 1) 2
2 2
1− t2
b. tgx + C Đặt t = tgx
x
1 + cos
4 x 2 +C x
c. + 2arctg cos − ln Đặt t 2 = cos
x 2 x 2
cos 1 − cos
2 2
110
Chương 4: Phép tính tích phân
1 (1 + t 2 ) 2 3 2t 2 − 1
d. ln + arctg +C Đặt t = 3 tgx
4 t4 − t2 +1 2 3
1 4 ⎛ x arctg 2 ⎞ x
e. − (2 sin x + cos x) + ln tg ⎜ + ⎟ +C Đặt tg =t
5 5 5 ⎝2 2 ⎠ 2
1 2 + sin 2 x
f. ln +C Đặt tgx = t
2 2 2 − sin 2 x
t 3 t
g. − + arctg +C với t = tgx
4(t + 2) 4 2
2
2
1 sin( x + b)
h. ln +C Biểu diễn sin(a − b) = sin{( x + a) − ( x + b)}
sin(b − a) sin( x + a )
x−a
sin
1 2 +C ⎧x − a x + a⎫
i. ln Biểu diễn cos a = cos ⎨ − ⎬
cos a cos x + a ⎩ 2 2 ⎭
2
1 1 ⎛x π⎞
j. (sin x − cos x) − ln tg ⎜ + ⎟ + C
2 2 2 ⎝2 2⎠
1 1
Biểu diễn sin x cos x = (sin x + cos x) 2 −
2 2
1 1 sin x − cos x
k. − ln(sin x + cos x + 2 + sin 2 x ) + arcsin +C
2 3 3
1
Biểu diễn sin x = {(sin x + cos x) + (sin x − cos x)}
2
2 + sin 2 x = 1 + (sin x + cos x) 2 = 3 − (sin x − cos x) 2
1
Câu 7. a. x − coth x + C Sử dụng coth 2 x = 1 +
sh 2 x
1 1 1
b. ch6 x − ch 4 x − ch 2 x + C
24 16 8
ch 2 x − 1
c. 2 chx −1 + C Biểu diễn chx + 1 =
chx − 1
shx − 2
d. +C
chx
x2 x
Câu 8. 8. a. +C
3
111
Chương 4: Phép tính tích phân
⎧ 1 3
⎪x + 4 x + 1 + C , x > 1
⎪
b. ⎨
⎪1 x x − x + C , x ≤1
⎪2
⎩
⎧1 1
⎪2 x + 2 + C
⎪ ⎧1 , x ≤ 1
⎪
c. ⎨ Max(1, x ) = ⎨
⎪− 1 x − 3 + C ⎪x , x >1
⎩
⎪ 2
⎩ 2
1 1
d. ( x + 1) x + 1 + (1 − x ) 1 − x + C
2 2
achax cos sbx + bshax sin bx
e. +C
a 2 + b2
Câu 9. a. [
I n = x ln n x − n x ln n −1 x − ( n − 1) I n − 2 ]
[ ]
= x ln n x − n ln n −1 x + n(n − 1) ln n − 2 x + ... + (−1) n −1 n(n − 1)...2 ln x + (−1) n n + C
[
I 2 = x (ln x − 1) + 1 + C
2
]
b. Jn =
1
n
[ ]
(n − 1) J n − 2 − cos x sin n −1 x + C
2 1
J 5 = − cos x + cos3 x − cos 5 x + C
3 6
sin x n
c. Kn+2 = n +1
+ Kn
( n + 1) cos x n + 1
3 1
K 7 = sin x − sin 3 x + sin 5 x − sin 7 x + C
5 7
1 2n − 3
d. Ln = 2 n −1
− Ln −1
2(n − 1)a ( x − a )
22
2(n − 1)a 2
5
3
Câu 10. a. f ( x) = ( x − 1) 3 + C Đặt x3 + 1 = t
5
⎧ln x + 1 + C
b. f ( x) = ⎨ Đặt ln x = t
⎩x + C
1 5 2 3
c. f ( x) = x − x + x+C Đặt sin 2 x = t
5 3
b−a
ξ i = xi xi +1 b m +1 − a m + 1
Câu 11. a. ab Lấy b.
m +1
112
Chương 4: Phép tính tích phân
a −1 ln 2 b − ln 2 a
c. 1 d. e.
ln a 2
Câu 12. a. 5 ln 4 − ln 6 − 1 b. 1
π π
c. d.
2 ab 2 sin α
π π
e. f.
3 6n
π π π2
arctg 2 2−
Câu 13. a. 2 b. 2 c. 4
3 1 3 1
d. e. arctg (Đặt t = x− )
24 2 2 2 x
π 1
f. g. arctg
4 2
e + 1 + e2 4π
h. ln i. − 3
1+ 2 3
a (π − 2) 3
j. (Đặt x = a sin 2 t ) k. 1−
4 2
π
e 2 −1
Câu 15. a. b. 2(1 − e −1 )
2
⎛ 2π 5π ⎞ π (9 − 4 3 ) 1 3
c. 2⎜ − ln tg ⎟ d. + ln
⎝ 3 12 ⎠ 36 2 2
1 n
2k ⎛ 1 ⎞
Câu 16. An = ∑
2n +1 k =1 k
⎜ 2 An = + An −1 ⎟
⎝ n ⎠
π
Bn =
2 n +1
Cn = e[1 + n + (n − 1)n + ... + 3.4...(n − 1)n] − n!
Dn = (−1) n π
En = 0
113
Chương 4: Phép tính tích phân
⎧ (n − 1)!!
⎪ nÕu n lÎ
⎪ (m + n)(m + n − 2)...(m + 3)(m + 1)
⎪ (m − 1)!!
I m, n =⎨ nÕu m lÎ
⎪ (m + n)(m + n − 2)...(n + 3)(n + 1)
⎪ (n − 1)!!(m − 1)!! π
⎪ nÕu m, n ch½n
⎩ (m + n)!! 2
Công thức truy toán .
n −1 m −1
I m, n = I m, n − 2 = I m − 2, n
m+n m+n
m!n!
I m, n = Đặt x = sin 2 t
(m + n + 1)!
2 5
Câu 18. a. b. (5 + 75 53 )
45 192
848 π 1
c. d. −
105 4 2
2 1
e. arctg f. 4 − π
5 5
π 16π
g. h. −2 3
6 3
j. π ln 2
1 a
i. ln
a −b
2 2
b 8
Câu 19. a. I1 > I 2 b. J1 > J 2
(Sử dụng định lí trung bình tổng quát)
c. K 2 > K1
3π
(Chứng minh K1 < 1 , K 2 > )
8
x2
Dùng bất đẳng thức sin x ≤ x , cos x ≥ 1 − , x ∈ (0,1)
2
1 1 π
Câu 21. a. b. c.
2 e 6
2 π
d. 2 e. f.
3 3
9 1 4a 3
Câu 22. a. b. 2− c.
2 ln 2 3
114
Chương 4: Phép tính tích phân
1 π 1
d. 3πa 2 e. coth f.
2 2 12
b
g. 4 ab arctg
a
72 3 3π c 4
Câu 23. a. b. c. 6πa 2
5 8 ab
2 πa 2
Câu 24. a. a2 b. c.
3 4
p2
d. (3 + 4 2 )
6
⎛π a ⎞ 4( a 3 − b 3 )
Câu 25. a. ln tg ⎜ + ⎟ b. c. 2π 2 a
⎝ 4 2⎠ ab
d.
19
3
[
e. p 2 + ln(1 + 2 ) ]
2 2a 3 ⎛ 4⎞ 16a 2
Câu 26. a. abc b. ⎜π − ⎟ c. ab
3 3 ⎝ 3⎠ 15
3π 2
Câu 27. a. ab b. 2π 2
7
128
c. 2π 2 a 2b d. π
3
π⎡ ⎤ ⎡ (1 + 2 )( 5 − 1) ⎤
3
Câu 28. a. ⎢ (1 + a 4 ) 2 − 1⎥ b. π ⎢ 5 − 2 + ln ⎥
9⎢
⎣ ⎥
⎦ ⎣ 2 ⎦
c. 16π 2 a 2
1 + 1 + a4 π 2π
ln −1
Câu 29. a. a2 b. 2 c. 3 3
π 1
d. e. 2 f.
4 2
π
g. n! h. π i.
4
π
j.
2
Câu 30. a. Hội tụ khi n − m > 1 b. Hội tụ c. Hội tụ
d. Hội tụ e. Hội tụ
115
Chương 4: Phép tính tích phân
π π
Câu 31. a. π b. − ln 2 c. ln 2
2 2
π π (2n)!!
d. ln 2 e. − ln 2 f. 2
2 2 (2n + 1)!!
(Đặt x = sin 2 t )
2 9
g. − h. 6 − ln 3
e 2
Câu 32. a. Phân kì b. Hội tụ
c. Hội tụ khi k < 1 , phân kì khi k ≥ 1
d. Hội tụ khi p < 1, q < 1
e. Hội tụ khi p > − 1 , q > −1
f. Hội tụ.
116
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
3.
4.
5. CHƯƠNG V: LÝ THUYẾT CHUỖI
5.1 MỤC ĐÍCH
Bài toán tính giá trị gần đúng của một hàm số tại điểm x1 gần với điểm x0
mà giá trị f(x0) đã biết rất hay gặp trong thực tế: bài toán lập biểu đồ, bài toán
nội suy,.... Việc tính toán trở nên đơn giản nhờ các phép tính cơ bản +, -, ., / và
luỹ thừa khi đã khai triển hàm số thành chuỗi Taylor. Việc biểu diễn một tín
hiệu phức tạp thành các tín hiệu đơn giản hoặc các sóng phức tạp thành các
sóng đơn giản chính là nhờ vào việc khai triển một hàm số thành chuỗi Fourier.
Để có được cơ sở giải thích cho các bài toán dạng trên cần nắm vững các nội
dung của lý thuyết chuỗi.
Trong mục thứ nhất cần nắm vững các khái niệm: hội tụ, phân kì của chuỗi
số. Luôn luôn ghi nhớ điều kiện cần của sự hội tụ để nhận biết về khả năng phân
kì của chuỗi số. Khi xem xét các tính chất của chuỗi số hội tụ phải nghĩ ngay
xem các chuỗi phân kì có tính chất đó không. Điều này hoàn toàn giống như các
dãy số hội tụ, các hàm liên tục, các hàm khả vi,....Phải nhận biết số hạng tổng
quát của chuỗi số để phân loại được các đặc tính của chuỗi số: chuỗi số dương,
chuỗi số đan dấu hay chuỗi số có dấu bất kì để từ đó sử dụng các tiêu chuẩn thích
hợp để kết luận về sự hội tụ của nó. Đối với chuỗi số dương khi dùng tiêu chuẩn
so sánh phải luôn dùng đến chuỗi Riemann. Bên cạnh đó phải nắm vững các tiêu
chuẩn D’Alembert, tiêu chuẩn Cauchy, tiêu chuẩn tích phân Cauchy-McLaurin
để xem xét sự hội tụ, phân kì của chuỗi số dương. Đối với chuỗi đan dấu, có định
lí Leibnitz, định lí cho ta điều kiện đủ để nhận biết sự hội tụ của nó. Định lí này
đóng vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá sai số của nhiều bài toán tính gần
đúng. Trong định lí này, điều kiện dãy số (an) đơn điệu giảm là rất quan trọng,
nhiều sinh viên hay bỏ qua điều kiện này. Khi xem xét chuỗi số có số hạng mang
dấu bất kì trước hết nên xét sự hội tụ tuyệt đối của nó vì khi đó có thể lợi dụng
được các tiêu chuẩn hội tụ của chuỗi số dương.
Trong mục thứ hai cần nắm vững khái niệm miền hội tụ của chuỗi hàm vì
bài toán tìm miền hội tụ của chuỗi hàm là một trong các bài toán cơ bản. Khái
niệm hội tụ đều của chuỗi hàm là khái niệm rất khó cũng như khái niệm liên tục
của hàm số. Chính vì thế phải đọc kĩ và hiểu chính xác khái niệm này. Nhờ vào
116
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
sự hội tụ đều của chuỗi hàm mà có thể thực hiện được các phép tính giống như
các phép tính về tổng hữu hạn. Điều kiện đủ để nhận biết chuỗi hàm hội tụ đều
hay sử dụng là tiêu chuẩn Weierstrass.
Trong mục thứ ba cần nắm vững tính chất đặc biệt về miền hội tụ của
chuỗi luỹ thừa thông qua định lí Abel. Chính vì thế phải thuộc qui tắc tìm bán
kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa. Cần lưu ý cách tìm bán kính hội tụ của chuỗi luỹ
thừa cách. Biết cách áp dụng các tính chất của luỹ thừa: phép tính đạo hàm,
phép tính tích phân có thể tính được tổng của một số chuỗi hàm. Khai triển
Taylor tại lân cận x0 hoặc khai triển Maclaurin thực chất là cách biểu diễn hàm
số thành chuỗi luỹ thừa. Ý nghĩa thật rõ ràng: một hàm số được biểu diễn qua
một đa thức có bậc vô hạn, việc tính giá trị gần đúng của nó thông qua các phép
tính +, -, ., /, luỹ thừa. Tuy nhiên phải lưu ý đến điều kiện đủ để hàm số khai
triển thành chuỗi luỹ thừa. Cần nhớ khai triển các hàm số thông dụng thành
chuỗi McLaurin để từ đó nhờ vào phép đổi biến thích hợp có thể giải quyết các
bài toán khai triển thành chuỗi Taylor tại lân cận x0 mà không phải tính đạo
hàm. Chú ý rằng cũng nhờ vào khai triển Taylor mà có thể tính được tổng của
một số chuỗi số.
Trong mục thứ tư cần nắm vững công thức tính các hệ số Fourier của hàm
số f(x). Nắm vững các dạng chuỗi Fourier: dạng chuỗi lượng giác và dạng
phức. Nắm vững các dạng chuỗi Fourier khi hàm số có tính chất đặc biệt: hàm
chẵn, hàm lẻ, hàm tuần hoàn với chu kỳ T. Bên cạnh đó biết cách biểu diễn hàm
số đã cho theo các hàm sin hoặc cosin. Phải chú ý đến định lí Dirichlet - điều
kiện đủ khai triển hàm thành chuỗi Fourier và vận dụng định lí đó để tính tổng
của một chuỗi số.
5.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
5.2.1 Chuỗi số
a. Các khái niệm chung
Định nghĩa chuỗi số và sự hội tụ của chuỗi số
1. Cho dãy số thực ( a n ) , an ∈ R với mọi n
Gọi a1 + a2 + ... + an + ... là một chuỗi số thực
∞
Kí hiệu chuỗi số trên là ∑ ak (1)
k =1
117
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Số thực ak với k xác định gọi là số hạng thứ k của chuỗi, với k
không xác định gọi là số hạng tổng quát của chuỗi .Sau đây là một vài
chuỗi số dạng đặc biệt :
∞
1 1 1 1 1
∑ (−1)
n =1
n −1
n
=1 − + − ... + ( −1) n −1 + ...
2 3 n
có số hạng tổng quát là (−1) n −1
n
∞
∑ (−1)
n =1
n −1
= 1 − 1 + 1 − 1 + ... + (−1) n −1 + ...
∞
1 1 1 1 1
∑2
k =0
k
= 1+ + + + ... + k + ...
2 4 8 2
gọi là chuỗi cấp số nhân có công bội là
1
.
2
∞
1 1 1
∑ n = 1 + 2 + ... + n + ... gọi là chuỗi điều hoà .
n =1
∞
1 1 1 1
∑ nα
n =1
= 1+
2α
+ α + ... + α + ...
3 n
gọi là chuỗi Riemann với tham số α .
2. Cho chuỗi số (1). Gọi tổng riêng thứ n của chuỗi (1) là
n
S n = ∑ ai
i =1
Nếu lim S n = S
n→∞
(hữu hạn) thì nói rằng chuỗi số (1) hội tụ và có tổng
∞
là S, khi đó kí hiệu ∑a
i =1
i =S. Nếu không xảy ra điều trên nói rằng chuỗi
(1) phân kì .
3. Nếu chuỗi (1) hội tụ về S thì gọi Rn = S − S n là phần dư thứ n của chuỗi.
Theo trên suy ra: Để chuỗi (1) hội tụ về S thì cần và đủ là phần dư Rn hội
tụ về 0.
Điều kiện hội tụ của chuỗi số
Từ điều kiện Cauchy cho dãy số hội tụ suy ra.
Định lí 1: Để chuỗi số (1) hội tụ thì cần và đủ là
∀ε > 0 , ∃n0 : ∀n > n0 , ∀p , n, p ∈ N *
⇒ an + an +1 + ... + an + p < ε
118
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Từ định nghĩa về sự hội tụ của chuỗi số suy ra:
Định lí 2: Điều kiện cần của chuỗi số hội tụ là số hạng tổng quát an
dần đến 0 khi n → ∞ : n → ∞ an = 0
lim
Tính chất của chuỗi số hội tụ
1. Tính chất hội tụ hay phân kì của chuỗi số vẫn giữ nguyên khi thay đổi
hữu hạn số hạng đầu tiên của chuỗi .
∞
2. Nếu chuỗi (1) hội tụ về S thì chuỗi ∑ λa hội tụ về
i =1
i λS
Thật vậy nếu gọi tổng riêng thứ n của (5.1) là Sn thì
n n
∑ λai = λ ∑ ai = λSn
i =1 i =1
∞
∑ λa
i =1
i = λS
∞ ∞
3. Nếu các chuỗi ∑ ai và ∑ bi hội tụ tương ứng về A và B thì chuỗi
i =1 i =1
∞
∑ (a
i =1
i + bi ) hội tụ về A+B.
n n n
Thật vậy ∑ (ai + bi ) = ∑ ai + ∑ bi
i =1 i =1 i =1
∞
Qua giới hạn sẽ có ∑ (ai + bi ) = A + B
i =1
b. Chuỗi số dương
∞
Sau đây xét chuỗi số ∑ ai với ai ∈ R+
*
các kết quả sẽ được chuyển sang
i =1
∞
cho chuỗi số ∑ ai với ai ∈ R *−
i =1
Điều kiện hội tụ của chuỗi số dương
Định lí: Chuỗi số dương hội tụ khi và chỉ khi dãy tổng riêng của nó bị
chặn trên. S n ≤ M , ∀n ∈ N
Các tiêu chuẩn về sự hội tụ :
1. Các định lí so sánh.
∞ ∞
Cho 2 chuỗi số dương ∑ ai (a) và ∑ bi (b)
i =1 i =1
119
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Định lí 1: Giả sử an ≤ bn , ∀n ≥ n0 , n0 ∈ N *
Khi đó: Nếu chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) hội tụ .
Nếu chuỗi (a) phân kì thì chuỗi (b) phân kì .
an
Định lí 2: Giả sử lim =k
n→∞ bn
Khi đó: Nếu 0 < k < +∞ hai chuỗi (a) và (b) cùng hội tụ hoặc cùng
phân kì
Nếu k = 0 và chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) hội tụ.
Nếu k = ∞ và chuỗi (b) phân kì thì chuỗi (a) phân kì .
2. Các tiêu chuẩn hội tụ .
Tiêu chuẩn Đalămbe (D’Alembert).
⎛ an +1 ⎞
Gọi ( Dn ) = ⎜
⎜ ⎟
⎟ là dãy D’Alembert
⎝ an ⎠
Nếu tồn tại số q ∈ R+
*
sao cho Dn ≤ q < 1 thì chuỗi hội tụ
Nếu Dn ≥ 1 thì chuỗi phân kì
Định lí: Giả sử lim Dn = D
n→∞
khi đó:
Nếu D >1 thì chuỗi phân kì
D 1 thì chuỗi phân kì
C 0 , ∀k (2)
k =1
∞
hoặc ∑ (−1) k ak trong đó ak > 0 , ∀k gọi là chuỗi đan dấu.
k =1
∞
1 ∞
(−1) n
Chẳng hạn ∑ (−1)n .
n =0 n +1
, ∑ n2
n =1
là các chuỗi đan dấu
Điều kiện hội tụ của chuỗi đan dấu
Định lí Leibnitz.
Cho chuỗi (2) nếu dãy ( an ) thoả mãn các điều kiện :
- Dãy ( an ) đơn điệu giảm: an > an +1 , ∀n ∈ N
- lim an = 0
n→∞
Thì chuỗi (2) hội tụ về tổng S và S < a1
d. Chuỗi có số hạng mang dấu bất kì
Sự hội tụ tuyệt đối và bán hội tụ
∞
Cho chuỗi số bất kì ∑ ai , ai ∈ R (a)
i =1
∞
Lập chuỗi số dương ∑ ai (b)
i =1
1. Nếu chuỗi (a) hội tụ và chuỗi (b) phân kì thì nói rằng chuỗi (a) bán
hội tụ
121
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
2. Nếu chuỗi (a) và (b) cùng hội tụ thì nói rằng chuỗi (a) hội tụ tuyệt đối.
Định lí: Nếu chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) cũng hội tụ .
Một số tính chất của chuỗi bán hội tụ và hội tụ tuyệt đối
1. Nếu chuỗi đã cho là bán hội tụ thì có thể lấy số S * tuỳ ý (hữu hạn
hoặc vô hạn) để sao cho khi thay đổi vị trí các số hạng được chuỗi mới hội tụ
về S * . Nói cách khác, trong trường hợp này tính chất giao hoán , tính chất
kết hợp không còn đúng đối với tổng vô hạn.
2. Nếu chuỗi đã cho hội tụ về S và là hội tụ tuyệt đối thì chuỗi mới
nhận được bằng cách thay đổi vị trí các số hạng hoặc bằng cách nhóm một
số hữu hạn các số hạng lại cũng hội tụ về S và cũng là hội tụ tuyệt đối. Nói
cách khác trong trường hợp này tính chất giao hoán và kết hợp được giữ
nguyên đối với chuỗi vô hạn
∞ ∞
3. Cho hai chuỗi số ∑ ai vµ ∑ bi
i =1 i =1
Lập bảng số a1b1 a2b1 a3b1 ... ak b1 ...
a1b2 a2b2 a3b2 ... ak b2 ...
.........................................
a1b j a 2b j a3b j ... ak b j ...
Lập dãy số (u n ) với u1 = a1b1 , u2 = a1b2 + a2b1 , ...
(vn ) với v1 = a1b1 , v2 = a1b2 + a2b2 + a2b1 , ...
∞ ∞
Các chuỗi ∑ un vµ ∑ vn gọi là chuỗi tích của hai chuỗi đã cho.
n =1 n =1
Nếu hai chuỗi đã cho hội tụ tương ứng về S1 , S2 và là hội tụ tuyệt
đối thì các chuỗi tích của chúng hội tụ về S1 . S2 và là hội tụ tuyệt đối.
5.2.2 Chuỗi hàm
a. Các khái niệm chung về chuỗi hàm
Định nghĩa chuỗi hàm
Cho dãy hàm thực ( f n ( x) ) , x ∈ ( a, b) ,
∞
gọi f1 ( x) + f 2 ( x) + ... + f n ( x) + ... = ∑ f k ( x) (3)
k =1
là một chuỗi hàm xác định trên (a,b).
122
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Miền hội tụ của chuỗi hàm
∞
1. Điểm x0 ∈ (a, b) là điểm hội tụ của chuỗi hàm nếu chuỗi số ∑ f n ( x0 )
n =1
hội tụ .
2. Tập X các điểm hội tụ của chuỗi hàm gọi là miền hội tụ của chuỗi hàm.
n
3. Hàm số S n ( x) = ∑ f k ( x) víi x ∈ ( a, b) gọi là tổng riêng thứ n chuỗi hàm.
k =1
Chuỗi hàm gọi là hội tụ về S ( x) víi x ∈ X nếu lim S n ( x) = S ( x), ∀x ∈ X . Trong
n →∞
∞
trường hợp này kí hiệu ∑ f n ( x) = S ( x) , x∈ X
n =1
∞
4. Nếu chuỗi hàm ∑ f n ( x) hội tụ trên tập X thì nói rằng chuỗi hàm
n =1
∞
∑f
n =1
n ( x) hội tụ tuyệt đối trên tập X .
b. Sự hội tụ đều của chuỗi hàm
Định nghĩa
1. Dãy hàm ( f n (x) ) được gọi là hội tụ đều về hàm f (x ) trên tập X nếu như
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ f n ( x) − f ( x) < ε , ∀x ∈ X
2.Chuỗi hàm (3) được gọi là hội tụ đều về hàm S (x ) trên X nếu dãy
tổng riêng của nó hội tụ đều về S (x ) trên X .
Nghĩa là: ∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ Sn ( x) − S ( x) < ε , ∀x ∈ X
Vậy nếu chuỗi hội tụ đều về S (x ) thì phần dư Rn ( x) = S ( x) − S n ( x) sẽ hội
tụ đều về 0, tức là:
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ Rn ( x) < ε , ∀x ∈ X
Trong trường hợp chuỗi hội tụ đều về hàm S (x ) trên (a,b) thường kí hiệu
∞
∑f
n =1
n ( x ) ⇒ S ( x ) , x ∈ ( a, b)
Các tiêu chuẩn về sự hội tụ đều của chuỗi hàm
1. Tiêu chuẩn Cauchy.
Định lí: Giả sử (Sn (x)) là dãy tổng riêng của chuỗi hàm. Để chuỗi
hàm hội tụ đều trên tập X điều kiện cần và đủ là:
123
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) ∈ N , ∀n > n0 , ∀p ∈ N
⇒ S n + p ( x ) − S n ( x) < ε , ∀x ∈ X
2. Tiêu chuẩn Weierstrass.
Định lí: Giả sử các số hạng của chuỗi hàm thoả mãn bất đẳng thức
f n ( x) ≤ an , ∀x ∈ X
∞ ∞
và chuỗi số ∑ an hội tụ . Khi đó chuỗi hàm ∑ f n ( x) hội tụ tuyệt đối và
n =1 n =1
đều trên tập X
Các tính chất của chuỗi hàm hội tụ đều
Định lí 1: Cho chuỗi hàm (3), các hàm số fi ( x) , (i = 1,2,...) liên tục
trên tập X và hội tụ đều về S (x ) trên X thì S (x ) liên tục trên X
Định lí 2: Cho chuỗi hàm (3) hội tụ đều về S (x ) trên [a, b] và các hàm
f i ( x) , (i = 1,2,...) liên tục trên [a, b] thì
b ∞ b
∫ S ( x)dx = ∑ ∫ fi ( x)dx
a i =1 a
Định lí 3: Nếu chuỗi hàm (2) hội tụ về hàm S (x ) trên tập X và các
hàm fi (x) thoả mãn:
+ f i ' ( x) liên tục trên X , ∀i = 1,2,...
∞
+ ∑ fi ' ( x) hội tụ đều về R (x ) trên X
i =1
∞
Khi đó S ' ( x) = R ( x) = ∑ f i ' ( x) , x ∈ X
i =1
5.2.3 Chuỗi lũy thừa
a. Các khái niệm chung về chuỗi luỹ thừa
Định nghĩa chuỗi luỹ thừa
∞
Một chuỗi hàm có dạng ∑ ai x i , ai ∈ R , ∀i (4)
i =0
∞
hoặc ∑ ai ( x − a)i , a là hằng số
i =0
124
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Gọi là một chuỗi luỹ thừa. Trong chuỗi luỹ thừa trên ai là các hằng số
(i = 1,2,...) gọi là các hệ số của chuỗi luỹ thừa.
Tính chất hội tụ của chuỗi luỹ thừa
Định lí Aben (Abel)
Nếu chỗi luỹ thừa (4) hội tụ tại x = x0 ≠ 0 thì hội tụ tuyệt đối tại
mọi điểm x thoả mãn x < x0
Nếu chuỗi luỹ thừa (4) phân kì tại x = x1 thì phân kì tại mọi điểm
x thoả mãn x > x1
Bán kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa
Định lí 1: Đối với chuỗi luỹ thừa (4) luôn tồn tại số R ≥ 0 để chuỗi
hội tụ tuyệt đối trong khoảng (− R, R ) , phân kì trong các khoảng
( −∞,− R ), ( R,+∞ ) . Số R thoả mãn điều kiện trên gọi là bán kính hội tụ của
chuỗi (5.16).
Định lí 2: (Qui tắc tìm bán kính hội tụ).
an + 1
Nếu lim
n →∞ a
= ρ hoÆc lim n an = ρ
n →∞
,
n
⎧1
⎪ ρ nÕu 0 < ρ < +∞
⎪
⎪
thì R = ⎨0 nÕu ρ = ∞
⎪∞ nÕu ρ = 0
⎪
⎪
⎩
R=0 nghĩa là chuỗi luỹ thừa chỉ hội tụ tại x = 0
R=∞ nghĩa là chỗi luỹ thừa hội tụ tại mọi x
Tính chất của chuỗi luỹ thừa
Giả sử chuỗi luỹ thừa (4) có bán kính hội tụ R > 0 và [a, b] là đoạn tuỳ
ý chứa trong khoảng (− R, R ) .
Tính chất 1. Chuỗi luỹ thừa hội tụ đều trên [a, b] .
Tính chất 2. Chuỗi luỹ thừa hội tụ đều về hàm S (x ) , liên tục trên
( − R, R )
125
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Tính chất 3. Bất kì x1, x2 trong khoảng ( − R, R ) luôn có
x2 ∞ ∞ x2
∫ ∑ an x dx = ∑ an ∫ x dx
n n
x1 n = 0 n=0 x1
x ∞ ∞
an n +1
Đặc biệt thì ∫ ∑ an x dx = ∑
n
∀x ∈ ( − R , R ) x
0 n =0 n =0 n + 1
'
⎛ ∞ ⎞ ∞
Tính chất 4. ∀x ∈ ( − R , R ) luôn có ⎜ ∑ an x n ⎟ = ∑ nan x n −1
⎝ n =0 ⎠ n =1
b. Khai triển một hàm số thành chuỗi luỹ thừa
Khái niệm về chuỗi Taylor của hàm số f (x ) ở lân cận x0
Giả sử hàm số f ( x) ∈ C ∞ tại lân cận điểm x0 . Chuỗi luỹ thừa có dạng
f ' ( x0 ) f ( n ) ( x0 )
f ( x0 ) + ( x − x0 ) + ... + ( x − x0 ) n + ...
1! n!
được gọi là chuỗi Taylor của f (x ) ở lân cận điểm x0
Giả sử hàm số f ( x) ∈ C ∞ tại lân cận điểm 0. Chuõi luỹ thừa biểu diễn
f ' (0) f ( n ) (0) n
trong dạng f (0) + .x + ... + .x + ...
1! n!
được gọi là chuỗi McLaurin của hàm số f (x ) . Đó chính là chuỗi
Taylor của f (x) ở lân cận của x = 0
Định lí: Nếu f (x ) biểu diễn dưới dạng chuỗi luỹ thừa ở lân cận của
x0 :
f ( x) = a0 + a1 ( x − x0 ) + ... + an ( x − x0 ) n + ...
Thì chuỗi đó là chuỗi Taylor của f (x ) ở lân cận của x0 .
Điều kiện đủ để hàm số khai triển thành chuỗi Taylor
Định lí 1: Cho f ( x) ∈ C ∞ ở lân cận x = x0 , để hàm f(x) khai triển được
thành chuỗi Taylor ở lân cận của x0 thì cần và đủ là phần dư Taylor rn (x)
dần đến không khi n → ∞
Định lí 2: Nếu f ( x) ∈ C ∞ ở lân cận của x = x0 và trong lân cận đó có
f ( k ) ( x ) ≤ M , ∀k ∈ N thì f (x ) khai triển được thành chuỗi Taylor ở lân cận x0 .
126
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
5.2.4 Chuỗi Phuriê (Fourier)
a. Các khái niệm chung
Chuỗi lượng giác
a0 ∞
Chuỗi hàm có dạng + ∑ an cos nx + bn sin nx (5)
2 n =1
trong đó a0 , an , bn , n = 1,2,... là các hằng số , được gọi là một chuỗi
lượng giác.
Điều kiện hội tụ của chuỗi lượng giác
∞ ∞
Định lí 1: Nếu các chuỗi số ∑ an , ∑ b hội tụ tuyệt đối thì chuỗi
n
n =1 n =1
lượng giác (5) hội tụ tuyệt đối và đều trên tập R.
Định lí 2: Nếu các dãy số (an ) , (bn ) đơn điệu giảm và hội tụ về 0 khi
n → ∞ thì chuỗi lượng giác (5) hội tụ trên tập X = R \ {2mπ , m ∈ Z }
Chuỗi Fourier
Cho hàm số f (x ) khả tích trên [− π ,π ] , chuỗi lượng giác có dạng
a0 ∞
+ ∑ ak cos kx + bk sin kx (6)
2 k =1
π π π
1 1 1
trong đó a0 =
π ∫ f ( x)dx , a
−π
k =
π ∫ f ( x) cos kxdx , b
−π
k =
π ∫ f ( x) sin kxdx ,
−π
k = 1,2,...
được gọi là chuỗi Fourier của hàm số f (x) , các hằng số tính theo công
thức trên gọi là các hệ số Fourier của hàm số f (x) .
Chuỗi Fourier trong dạng phức
Chuỗi Fourier có dạng
∞
c0 + ∑ ck eikx + c− k e − ikx
k =1
+∞ π
1
hay ∑c e
k = −∞
k
ikx
với c k =
π ∫π f ( x)e
− ikx
dx , k = 0 ± 1 , ± 2 , ± 3 ,...
−
gọi là chuỗi Fourier của hàm f (x ) trong dạng phức.
127
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Hàm số khai triển thành chuỗi Fourier
Nếu trong [− π ,π ] chuỗi Fourier (6) hội tụ về chính hàm số f (x) thì nói
rằng hàm số f (x) khai triển được thành chuỗi Fourier trên [− π ,π ] .
Định lí: Nếu f (x ) biểu diễn thành chuỗi lượng giác (5) trên [− π ,π ] và
∞ ∞
các chuỗi số ∑ ai , ∑ bi hội tụ tuyệt đối thì chuỗi đó chính là chuỗi Fourier
i =1 i =1
của f (x ) .
b. Điều kiện đủ để hàm số khai triển thành chuỗi Fourier
Định lí Đirichlê (Dirichlet): Nếu f (x) tuần hoàn với chu kỳ 2π , đơn
điệu từng khúc và bị chặn trên [− π ,π ] thì chuỗi Fourier của hàm số f (x)
hội tụ về tổng S (x ) trên tập R . Tổng S (x ) có tính chất:
1
S ( x) = [ f ( x − 0) + f ( x + 0)] , ∀x ∈ R
2
5.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Định nghĩa chuỗi số, sự hội tụ, phân kì của chuỗi số.
Câu 2. Phát biểu chứng minh điều kiện cần của chuỗi số hội tụ.
Câu 3. Phát biểu các tính chất của chuỗi số hội tụ. Các tính chất đó còn
đúng không nếu các chuỗi số phân kì?
Câu 4. Định nghĩa chuỗi số dương. Phát biểu điều kiện cần và đủ để chuỗi
số dương hội tụ.
Câu 5. Phát biểu các định lí so sánh để nhận dạng sự hội tụ của chuỗi
số dương.
Câu 6. Phát biểu tiêu chuẩn D’Alembert về sự hội tụ của chuỗi số dương.
Câu 7. Phát biểu tiêu chuẩn Cauchy về sự hội tụ của chuỗi số dương.
Câu 8. Phát biểu tiêu chuẩn tích phân Cauchy-McLaurin về sự hội tụ của
chuỗi số dương.
Câu 9. Định nghĩa chuỗi số đan dấu. Phát biểu điều kiện đủ cho chuỗi đan
dấu hội tụ.
Câu 10. Định nghĩa sự hội tụ tuyệt đối, sự bán hội tụ của chuỗi số.
Câu 11. Định nghĩa chuỗi hàm. Miền hội tụ của chuỗi hàm là gì?
128
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Câu 12. Định nghĩa sự hội tụ đều của chuỗi hàm.
Câu 13. Phát biểu tiêu chuẩn Weierstrass về sự hội tụ đều của chuỗi hàm.
Câu 14. Phát biểu các tính chất của chuỗi hàm hội tụ đều.
Câu 15. Định nghĩa chuỗi luỹ thừa. Phát biểu định lí Abel.
Câu 16. Bán kính hội tụ chuỗi luỹ thừa là gì?
Câu 17. Nêu qui tắc tìm bán kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa.
Câu 18. Nêu các tính chất của chuỗi luỹ thừa.
Câu 19. Định nghĩa chuỗi Taylor ở lân cận của x0 của hàm số f(x). Định
nghĩa chuỗi McLaurin của hàm số f(x).
Câu 20. Thế nào là hàm số khai triển được thành chuỗi Taylor ở lân cận của x0.
Câu 21. Nêu điều kiện cần và đủ để hàm số f(x) khai triển được thành chuỗi
Taylor ở lân cận của x0.
Câu 22. Phát biểu điều kiện đủ để hàm f(x) khai triển được thành chuỗi
Taylor ở lân cận x0.
Câu 23. Viết khai triển McLaurin các hàm số thường dùng.
Câu 24. Định nghĩa chuỗi Fourier của hàm số f(x).
Câu 25. Phát biểu điều kiện đủ để hàm số khai triển được thành chuỗi Fourier.
Câu 26. Viết chuỗi Fourier trong dạng phức.
Câu 27. Viết khai triển thành chuỗi Fourier của hàm số bất kì.
Câu 28. Viết khai triển theo các hàm số sin của hàm số f(x). Điều kiện để có
khai triển đó?
Câu 29. Viết khai triển theo các hàm số cosin của hàm số f(x). Điều kiện để
có khai triển đó?
Câu 30. Có một hay nhiều chuỗi Fourier của một hàm số cho trước trên
khoảng (a,b)
5.4 BÀI TẬP CHƯƠNG V
∞ ∞
Câu 1. Cho chuỗi số ∑ ak
k =1
biết rằng chuỗi số ∑ a hội tụ và chuỗi số
p =1
2p
∞
∑a
p =0
2 p +1 phân kỳ. Chứng minh chuỗi số đã cho phân kỳ.
129
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Câu 2. Chứng minh rằng các chuỗi số có số hạng tổng quát sau đây hội tụ
và hãy tìm tổng của chúng
1 1
a. an = b. an =
(2n − 1)(2n + 1) n +n
2
2n + 1 2n + 1
c. an = d. an = (−1) n +1
n (n + 1) 2
2
n(n + 1)
Câu 3. Xét sự hội tụ của các chuỗi số có số hạng tổng quát sau đây:
n2 − n 2n + n
a. an = n 2 + n − n b. an = arctg c. an =
n2 + 1 3n + n3 + 3
1 n ( n + 2) 2 + cos n
d. an = ln(1 + tg ) e. an = f. an = ,α > 0
n2 n + 3 ln n
2
nα
1 1 2
− (1+ + ) n n2 2n
g. an = n n n2
h. an = ( ) i. an =
n + 1)
n
n2
π
n +1
1 2
cos 2 x dx
j. an =
n + (−1) n n
k. an = ∫ n2 + cos2 x dx
0
l. an = ∫ 1 x4 + x + 1
n+
2
2n ∞
dx
m. ∫ o. ∫e
−xn
an = 5
dx
n
x − sin x
2 2 o
∞
Câu 4. Cho chuỗi số dương ∑ a hội tụ. Chứng minh rằng chuỗi số
k =1
k
∞
∑ aα ,α > 1 cũng hội tụ
k =1
k
∞ ∞
Câu 5. Cho hai chuỗi số dương ∑ an , ∑ bn và tồn tại số tự nhiên n0 sao cho
n =1 n =1
∞
an +1 bn +1
∨ n ≥ n0 thoả mãn ≤ . Chứng minh rằng nếu chuỗi ∑ bn hội tụ thì chuỗi
an bn n =1
thứ nhất hội tụ .
Câu 6. Xét sự hội tụ của các chuỗi có số hạng tổng quát sau đây:
n
n2 32 ln(n!)
a. an = n b. an = c. an =
2 +n 2 3n
n!
n
1 2.4...( 2n) an
d. an = n!∏ sin e. an = f. an = , a>o
k =1 2k nn n2 + 1
130
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
n + 1) n ln n 1 n ln n
g. an = ( ) h. an = ( arctg ) n i. an =
2n − 1 n (ln n) n
Câu 7. Xét sự hội tụ của các chuỗi có số hạng tổng quát sau đây:
1 1 n −n
a. an = (−1) n (tg − sin ) b. an = (1 − )
n n ln n
(−1) n −1 (n + 1)
c. an = sin(π n 4 + 1 ) d. an =
n2 + n + 2
(−1) n 1
e. an = f. an = sin π ( + n)
n − ln n n
1 + (−1) n n (−1) n n 2
g. an = h. an =
1+ n (ln n) n
∞
1 2x + 1 n
Câu 8. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ n −1
( ) hội tụ đều trên đoạn [-,1].
n =1 2 x+2
∞
x2 + n
Câu 9. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ (−1)n
n =1 n2
hội tụ đều trên đoạn [a,b]
nhưng không hội tụ tuyệt đối trên đoạn đó.
∞
Câu 10. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ ne − nx hội tụ đều trên [a,+ ∞ ) với a>0
n =1
nhưng không hội tụ đều trên [o,+ ∞ ).
∞
1
Câu 11. Cho chuỗi hàm ∑
1 + xn n =1
a. Tìm miền hội tụ của chuỗi hàm.
b. Xét sự liên tục của tổng S(x).
c. Xét sự khả vi của tổng S(x).
Câu 12. Tìm miền hội tụ đều của các chuỗi hàm
∞ ∞
a. ∑ b. ∑ n − x (−1) n
2
n xe − xn
n =1 n =1
∞
1
Câu 13. Chứng minh rằng hàm số f(x) = ∑ xác định, liên tục, khả vi
n =1 n( n + x)
trên [o,+ ∞ ]
Câu 14. Tìm miền hội tụ của chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng quát sau:
a. un ( x) = x n ln n b. un ( x) = ( nx ) n
131
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
n
xn ( x − 4) n ⎛ n +1 ⎞
c. un ( x) = (−1) n =1 d. un ( x) = e. un ( x) = ⎜ ⎟ ( x − 2)
2n
n n ⎝ 2n + 1 ⎠
(5 x) n xn xn
f. un ( x ) = g. un ( x) = (−1) n −1
h. u n ( x ) = α ,α > o
n! n! n
Câu 15. Tìm miền hội tụ và tính tổng các chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng
quát sau:
a. un ( x) = (3n + 1) x 3n , n ≥ 1 , b. u n ( x ) = ( 2 n + 3n ) x n , n ≥ o
n 2 + 3n − 1 x n
c. un ( x) = ,n ≥ o , d. un ( x) = chna.x n , a > o, n ≥ o
n + 3 n!
(−1) n +1 x n −1
e. un ( x) = ,n ≥ o
n
Câu 16. Khai triển thành chuỗi Taylor của các hàm số sau:
1
a. f(x) = tại lân cận điểm x=3.
x
b. f(x) = e x −1 tại lân cận điểm x=-1.
c. f(x) = sinx tại lân cận điểm x=2.
Câu 17. Khai triển thành chuỗi Maclảuin các hàm số sau:
a. f(x) = chx , b. f(x) = x 2e x ,
c. f(x) = sin 2 x , d. f(x) = e x cos x
1
e. f(x) = ln( x 2 − 5 x + 6) , f. f(x) =
x − 3x + 2
2
⎧1 1 + x
⎪ ln khi x ≠ 0 x
g. f(x) = ⎨x 1− x h. f(x) = ∫ cos t 2dt
⎪2
⎩ khi x = 0 0
∞ ∞
Câu 18. Cho hai chuỗi luỹ thừa ∑ an x n ,∑ bn x n có bán kính hội tụ tưng ứng là
n =1 n =1
R1 , R2
a. Chứng minh rằng nếu tồn tại n0 ∈ N sao cho an ≤ bn , ∀n ≥ n0 thi R1 ≥ R2 .
b. Chứng minh rằng nếu an ~ bn khi n → ∞ thì R1 = R2 .
Câu 19. Tìm bán kính hội tụ của các chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng quát sau:
chn n 1 n
a. un ( x) = x , b. un ( x) = arccos(1 − )x ,
sh 2 n n2
132
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
c. un ( x) = cos(π n 2 + n + 1) x n d. un ( x) = (n n + 1 − n n ) x n ,
π⎤
e. un ( x) = ⎡arctg (1 +
1
⎢ 2
) − ⎥ xn
⎣ n 4⎦
Câu 20. Tính các số sau với độ chính xác là 10 −4
a. e , b. 5
1,1 , c. ln (1,04) , d. cos180
Câu 21. Khai triển thành chuỗi Fourier hàm số f(x) lẻ, tuần hoàn với chu kỳ
2 π và f(x) = π − x với 0
Top Download Toán Học
-
Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê
138p 21083 5537
-
Bài giảng đại số tuyến tính - Lê Thị Nguyệt
63p 1876 928
-
-
Bài giảng Hình Họa - Ths Nguyễn Độ
91p 1896 559
-
-
Kỹ thuật sử dụng bất đẳng thức cô-si
26p 4087 1943
-
63p 1736 504
-
116p 4254 2356
-
Giáo trình toán rời rạc - Đặng Ngọc Hoàng Thành
110p 530 333
-
Giáo trình toán Giải tích 1 - NXB GD
351p 5787 1561
Tài Liệu Toán học Mới Xem thêm » Tài Liệu mới cập nhật Xem thêm »

markdown:
138 trang
Lượt xem: 21084
Download: 5537
# Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê
Chia sẻ:
[truongbao](http://tailieu.vn/user/truongbao)
Toán cao cấp A1 là học phần đầu tiên của chương trình toán dành cho sinh viên các nhóm ngành thuộc khối kỹ thuật. Để học tốt môn Toán cao cấp theo phương thức Đào tạo từ xa, bên cạnh các học liệu: sách, giáo trình in, băng đĩa hình,
![](images/graphics/blank.gif)
![](images/graphics/blank.gif)
## Thể loại:
[Khoa Học Tự Nhiên](http://tailieu.vn/khoa-hoc-tu-nhien/)» [Toán học](http://tailieu.vn/khoa-hoc-tu-nhien/toan-hoc/)
## Chủ đề liên quan:
**Nội dung Text: Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê**
TOÁN CAO CẤP (A1)
Biên soạn: TS. VŨ GIA TÊ
Ths. ĐỖ PHI NGA
Giới thiệu môn học
0
1
2 GIỚI THIỆU MÔN HỌC
1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Toán cao cấp A1 là học phần đầu tiên của chương trình toán dành cho sinh
viên các nhóm ngành thuộc khối kỹ thuật. Để học tốt môn Toán cao cấp theo
phương thức Đào tạo từ xa, bên cạnh các học liệu: sách, giáo trình in, băng đĩa
hình,..., sách hướng dẫn cho người học toán cao cấp là rất cần thiết. Tập sách
hướng dẫn này được biên soạn là nhằm mục đích trên. Tập sách được biên soạn
theo chương trình qui định năm 2001 của Bộ Giáo dục Đào tạo và theo đề
cương chương trình được Học viện Công nghệ BC-VT thông qua năm 2004.
Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 bám sát các giáo trình của các trường
đại học kỹ thuật, giáo trình dành cho hệ chính qui của Học viện Công nghệ BC-
VT biên soạn năm 2001 và kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm của tác giả.
Chính vì thế, tài liệu này có thể dùng để học tập và tham khảo cho sinh viên của
tất cả các trường, các ngành đại học và cao đẳng.
Cách trình bày trong sách thích hợp cho người tự học, đặc biệt phục vụ đắc
lực trong công tác đào tạo từ xa. Trước khi nghiên cứu các nội dung chi tiết,
người đọc nên xem phần hướng dẫn của mỗi chương để thấy được mục đích,
yêu cầu chính của chương đó. Trong mỗi chương, mỗi nội dung, người đọc có
thể tự đọc và hiểu được cặn kẽ thông qua cách diễn đạt và chứng minh rõ ràng.
Sau các chương, người đọc phải tự trả lời được các câu hỏi ôn tập. Nhờ các ví
dụ minh hoạ được đưa ra từ đơn giản đến phức tạp, người đọc có thể coi đó là
bài tập mẫu để tự giải các bài tập có trong tài liệu. Người đọc có thể tự kiểm tra,
đánh giá kiến thức, khả năng thu nhận dựa vào phần hướng dẫn và đáp số được
cung cấp ở những trang cuối sách.
Cũng cần nhấn mạnh rằng, nội dung chính của toán cao cấp là phép tính vi
phân và phép tính tích phân mà nền tảng của nó là phép tính giới hạn của hàm
số. Chính vì thế chúng tôi trình bày khá tỉ mỉ hai chương đầu của tài liệu để
người học tự đọc cũng có thể có được các kiến thức vững vàng để đọc tiếp các
chương sau. Trong quá trình tự đọc và học qua mạng, tuỳ theo khả năng tiếp
thu, học viên có thể chỉ cần nhớ các định lý và bỏ qua phần chứng minh của nó.
2
Giới thiệu môn học
Nhân đây tác giả cũng lưu ý rằng ở bậc trung học phổ thông của nước ta,
chương trình toán cũng đã bao hàm các kiến thức về vi, tích phân. Tuy nhiên
các nội dung đó chỉ mang tính chất giới thiệu do lượng thời gian hạn chế, do
cấu tạo chương trình. Vì thế nếu không tự đọc một cách nghiêm túc các định
nghĩa, định lý cũng sẽ vẫn chỉ nắm được một cách hời hợt và như vậy rất gặp
khó khăn trong việc giải các bài tập toán cao cấp.
Sách gồm 5 chương tương ứng với học phần gồm 60 đến 75 tiết:
Chương I: Giới hạn của dãy số.
Chương II: Hàm số một biến số.
Chương III: Phép tính vi phân hàm số một biến số.
Chương IV: Phép tính tích phân.
Chương V: Lý thuyết chuỗi
2. MỤC ĐÍCH MÔN HỌC
Học phần này sẽ cung cấp các kiến thức về phép tính vi, tích phân của hàm
số một biến, số thực và phép tính vi phân của hàm nhiều biến số. Nội dung của
học phần tuân thủ theo quy định về học phần Toán cao cấp A1 của Bộ GD-ĐT
dành cho các Trường thuộc khối ngành công nghệ.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔN HỌC
Để học tốt môn học này, sinh viên cần lưu ý những vấn đề sau :
1- Thu thập đầy đủ các tài liệu :
◊ Bài giảng: Toán cao cấp A1.Vũ Gia Tê, Nguyễn Phi Nga, Học viện
Công nghệ BCVT, 2005.
◊ Sách hướng dẫn học tập và bài tập: Toán cao cấp A1. Vũ Gia Tê,
Nguyễn Phi Nga, Học viện Công nghệ BCVT, 2005.
◊ Bài giảng điện tử: Toán cao cấp A1. Học viện Công nghệ BCVT,
2005.
Nếu có điều kiện, sinh viên nên tham khảo thêm: Các tài liệu tham khảo
trong mục Tài liệu tham khảo ở cuối cuốn sách này.
3
Giới thiệu môn học
2- Đặt ra mục tiêu, thời hạn cho bản thân:
Đặt ra mục các mục tiêu tạm thời và thời hạn cho bản thân, và cố gắng
thực hiện chúng
Cùng với lịch học, lịch hướng dẫn của Học viện của môn học cũng như
các môn học khác, sinh viên nên tự đặt ra cho mình một kế hoạch học tập cho
riêng mình. Lịch học này mô tả về các tuần học (tự học) trong một kỳ học và
đánh dấu số lượng công việc cần làm. Đánh dấu các ngày khi sinh viên phải thi
sát hạch, nộp các bài luận, bài kiểm tra, liên hệ với giảng viên.
Xây dựng các mục tiêu trong chương trình nghiên cứu
Biết rõ thời gian nghiên cứu khi mới bắt đầu nghiên cứu và thử thực hiện,
cố định những thời gian đó hàng tuần. Suy nghĩ về thời lượng thời gian nghiên
cứu để “Tiết kiệm thời gian”. “Nếu bạn mất quá nhiều thì giờ nghiên cứu”, bạn
nên xem lại kế hoạch thời gian của mình.
3- Nghiên cứu và nắm những kiến thức đề cốt lõi:
Sinh viên nên đọc qua sách hướng dẫn học tập trước khi nghiên cứu bài
giảng môn học và các tài liệu tham khảo khác. Nên nhớ rằng việc học thông qua
đọc tài liệu là một việc đơn giản nhất so với việc truy cập mạng Internet hay sử
dụng các hình thức học tập khác.
Hãy sử dụng thói quen sử dụng bút đánh dấu dòng (highline maker) để
đánh dấu các đề mục và những nội dung, công thức quan trọng trong tài liệu.
4- Tham gia đầy đủ các buổi hướng dẫn học tập:
Thông qua các buổi hướng dẫn học tập này, giảng viên sẽ giúp sinh viên
nắm được những nội dung tổng thể của môn học và giải đáp thắc mắc; đồng
thời sinh viên cũng có thể trao đổi, thảo luận của những sinh viên khác cùng
lớp. Thời gian bố trí cho các buổi hướng dẫn không nhiều, do đó đừng bỏ qua
những buổi hướng dẫn đã được lên kế hoạch.
5- Chủ động liên hệ với bạn học và giảng viên:
Cách đơn giản nhất là tham dự các diễn đàn học tập trên mạng Internet.
Hệ thống quản lý học tập (LMS) cung cấp môi trường học tập trong suốt
24 giờ/ngày và 7 ngày/tuần. Nếu không có điều kiện truy nhập Internet, sinh
viên cần chủ động sử dụng hãy sử dụng dịch vụ bưu chính và các phương thức
truyền thông khác (điện thoại, fax,...) để trao đổi thông tin học tập.
4
Giới thiệu môn học
6- Tự ghi chép lại những ý chính:
Nếu chỉ đọc không thì rất khó cho việc ghi nhớ. Việc ghi chép lại chính là
một hoạt động tái hiện kiến thức, kinh nghiệm cho thấy nó giúp ích rất nhiều
cho việc hình thành thói quen tự học và tư duy nghiên cứu.
7- Trả lời các câu hỏi ôn tập sau mỗi chương, bài.
Cuối mỗi chương, sinh viên cần tự trả lời tất cả các câu hỏi. Hãy cố gắng
vạch ra những ý trả lời chính, từng bước phát triển thành câu trả lời hoàn thiện.
Đối với các bài tập, sinh viên nên tự giải trước khi tham khảo hướng dẫn,
đáp án. Đừng ngại ngần trong việc liên hệ với các bạn học và giảng viên để
nhận được sự trợ giúp.
Nên nhớ thói quen đọc và ghi chép là chìa khoá cho sự thành công của
việc tự học!
5
Chương 1: Giới hạn của dãy số
1.
2. CHƯƠNG I: GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ
1.1 MỤC ĐÍCH
Trong nhiều vấn đề lý thuyết cũng như thực tế, người ta phải xét những đại
lượng mà trong quá trình biến thiên đại lượng đó lấy những giá trị rất gần đến
một hằng số a nào đấy. Trong quá trình này, ta gọi đại lượng đang xét là dần
đến a hay có giới hạn là a. Như vậy đại lượng có giới hạn là a có thể đạt được
giá trị a và cũng có thể không bao giờ đạt được giá trị a, điều này trong quá
trình tìm giới hạn không cần quan tâm đến.
Ví dụ:
1. Gọi x là biên độ của một con lắc tắt dần. Rõ ràng trong quá trình dao
động, biên độ của nó giảm dần tới 0 và thực tế sau khoảng thời gian xác định
con lắc dừng lại, ta nói rằng x có giới hạn là 0 trong quá trình thời gian trôi đi.
n
2. Xét dãy số (un) có dạng un = . Quá trình n tăng lên mãi thì un tăng
n +1
dần về số rất gần 1. Nói rằng dãy số có giới hạn là 1 khi n tăng lên vô cùng.
Giới hạn là một khái niệm khó của toán học. Khái niệm giới hạn được cho
bởi từ “gần”, để mô tả định tính. Còn định nghĩa chính xác của nó cho bởi cụm
từ “ bé hơn ε ” hoặc “lớn hơn M” để mô tả định lượng sẽ được giới thiệu trong
chương này. Khi đã hiểu được khái niệm giới hạn thì sẽ dễ dàng hiểu được các
khái niệm đạo hàm, tích phân. Bởi vì các phép toán đó đều xuất phát từ phép
tính giới hạn.
Trong mục thứ nhất cần hiểu được vai trò thực sự của số vô tỉ. Nhờ tính
chất đầy của tập số thực mà người ta có thể biểu diễn tập số thực trên trục số -
gọi là trục thực và nói rằng tất cả các số thực lấp đầy trục số. Nói khác đi có sự
tương ứng 1-1 giữa các số thực và các điểm trên trục số. Cũng nên nhận xét
được tập Q không có tính đầy. Học viên cần nắm chắc khái niệm trị tuyệt đối
của một số thực và các phép tính về nó.
Trong mục thứ hai cần hiểu được vai trò của số phức về mặt lý thuyết cũng
như ứng dụng sau này trong kỹ thuật. Thực chất một số phức z là một tương
ứng 1-1 với cặp có thứ tự các số thực (x,y). Cần phải nắm vững khái niệm
7
Chương 1: Giới hạn của dãy số
modul và acgumen của số phức và các dạng biểu diễn số phức: dạng đại số,
dạng lượng giác, dạng hàm mũ. Từ đó có thể làm thông thạo các phép tính trên
tập C, đặc biệt dùng công thức Moivre trong các ứng dụng vào lượng giác.
Trong mục thứ ba cần nắm vững khái niệm hội tụ, có giới hạn và phân kỳ
của dãy số. Nắm vững các tính chất: bị chặn, không bị chặn, đơn điệu của dãy
số. Nhờ vào các tính chất này mà thiết lập được các điều kiện cần, điều kiện đủ
để dãy số có giới hạn. Khái niệm dãy con của một dãy số cũng là một khái niệm
khó. Người học phải đọc kỹ định nghĩa và cố gắng hình dung để hiểu rõ khái
niệm này. Đôi khi sự hội tụ hay phân kỳ của một dãy số có thể nhận biết nhờ
vào tính chất của vài dãy con. Đặc biệt phải nắm được khái niệm hai dãy kề
nhau để từ đó có khái niệm về các đoạn lồng nhau được dùng trong chứng minh
định lý Bolzano-Weierstrass.
1.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
1.2.1 Số thực
a. Các tính chất cơ bản của tập số thực.
Tất cả các số hữu tỉ và số vô tỉ tạo thành tập hợp số thực.
Kí hiệu tập số thực là R. Tập số vô tỉ là R\Q.
Tính chất 1: Tập R là một truờng giao hoán với hai phép cộng và nhân: (R,
+ , .).
1. ∀a, b ∈ R, a + b ∈ R, a.b ∈ R
2. ∀a, b, c ∈ R, (a + b) + c = a + (b + c), (a.b)c = a (bc)
3. ∀a, b ∈ R, a + b = b + a, ab = ba
4. R có phần tử trung hoà đối với phép cộng là 0 và đối với phép nhân là 1
∀a ∈ R , a + 0 = 0 + a = a
a.1 = 1.a = a
5. Phân phối đối với phép cộng
∀a, b, c ∈ R, a (b + c) = ab + ac
(b + c ) a = ba + ca
6. Tồn tại phần tử đối của phép cộng
∀a ∈ R, ∃( − a ), a + ( − a ) = 0
Tồn tại phần tử nghịch đảo của phép nhân
8
Chương 1: Giới hạn của dãy số
∀a ∈ R * , R * = R \ {0}, ∃a −1 , a.a −1 = 1
Tính chất 2: Tập R được xếp thứ tự toàn phần và đóng kín đối với các
số thực dương.
1. ∀a, b ∈ R, a < b hoặc a = b hoặc a > b
∀a, b, c ∈ R, a ≤ b ⇒ a + c ≤ b + c
2.
∀a, b ∈ R, c ∈ R+ , a ≤ b ⇒ ac ≤ bc
3. ∀a, b ∈ R+ , a + b ∈ R+ , ab ∈ R+
Tính chất 3: Tập R là đầy theo nghĩa sau đây: Mọi tập con X không
rỗng của R bị chặn trên trong R đều có một cận trên đúng thuộc R và
mọi tập con không rỗng X của R bị chặn dưới trong R đều có một cận
dưới đúng thuộc R.
b. Tập số thực mở rộng
Người ta thêm vào tập số thực R hai phần tử kí hiệu là − ∞ và + ∞ . Tập số
thực mở rộng kí hiệu là R và R = R ∪ {− ∞,+∞}, các phép toán + và ., quan hệ thứ tự
được định nghĩa như sau:
x + ( +∞ ) = ( +∞) + x = +∞
1. ∀x ∈ R
x + (−∞ ) = (−∞) + x = −∞
( +∞) + (+∞ ) = +∞
2.
( −∞) + (−∞ ) = −∞
3. ∀x ∈ R+ , R+ = {x ∈ R, x > 0}
* *
x(+∞ ) = (+∞ ) x = +∞
x(−∞ ) = (−∞ ) x = −∞
∀x ∈ R− , R− = {x ∈ R, x < 0}
* *
x( +∞ ) = (+∞ ) x = −∞
x(−∞ ) = (−∞ ) x = +∞
( +∞ )(+∞) = (−∞ )(−∞) = +∞
4.
(+∞ )(−∞) = (−∞ )(+∞) = −∞
− ∞ < x < +∞
5. ∀x ∈ R − ∞ ≤ −∞
+ ∞ ≤ +∞
c. Các khoảng số thực
Cho a, b ∈ R và a ≤ b .Trong R có chín loại khoảng sau đây:
9
Chương 1: Giới hạn của dãy số
[a, b] = {x ∈ R; a ≤ x ≤ b} được gọi là đoạn hay khoảng đóng bị chặn
[a, b ) = {x ∈ R; a ≤ x < b}
được gọi là khoảng nửa đóng hoặc nửa mở
(a, b] = {x ∈ R; a < x ≤ b}
[a,+∞ ) = {x ∈ R; a ≤ x}
(− ∞, a] = {x ∈ R; x ≤ a}
(a, b ) = {x ∈ R; a < x < b} được gọi là các khoảng mở
(a,+∞ ) = {x ∈ R; a < x}
(− ∞, a ) = {x ∈ R; x < a}
Các số thực a,b gọi là các mút của khoảng.
d. Giá trị tuyệt đối của số thực
Định nghĩa: Giá trị tuyệt đối của số thực x, kí hiệu x là một số thực
không âm xác định như sau
⎧
⎪x khi x ≥ 0
⎪
x =⎨
⎪− x khi x ≤ 0
⎪
⎩
Tính chất
1. ∀x ∈ R, x = Max( x,− x)
2. x = 0 ⇔ x = 0
3.
∀x, y ∈ R, xy = x y
n n
∀n ∈ N ,*
∀x1 , x 2 , x3 , K , x n ∈ R, ∏ xi = ∏ xi
i =1 i =1
n
∀x ∈ R, x n = x
1 1
4. ∀x ∈ R * , =
x x
5.
10
Chương 1: Giới hạn của dãy số
∀x, y ∈ R, x + y ≤ x + y
n n
∀n ∈ N * , ∀x1 , x 2 ,K , x n ∈ R, ∑ xi ≤ ∑ xi
i =1 i =1
6.
1
∀x, y ∈ R, Max( x, y ) = (x + y + x − y )
2
1
Min( x, y ) = (x + y − x − y )
2
7. ∀x, y ∈ R, x − y ≤ x− y
e. Khoảng cách thông thường trong R
Định nghĩa: Khoảng cách trong R là ánh xạ
d : R× R → R
( x, y ) a x− y
Đó là hình ảnh trực quan về khoảng cách giữa 2 điểm x và y trên đường
thẳng trục số thực R.
Tính chất
1. d (x, y ) = 0 ⇔ x = y
2. ∀x, y ∈ R, d ( x, y ) = d ( y , x )
3. ∀x, y, z ∈ R, d ( x, z ) ≤ d ( x, y ) + d ( y, z )
4. ∀x, y, z ∈ R, d (x, y ) − d (x, z ) ≤ d ( y, z )
1.2.2 Số phức
a. Định nghĩa:
Cho (x, y ) ∈ R 2 ,một số biểu diễn dưới dạng z=x+iy,trong đó i 2 = −1 gọi là
một số phức.Tập các số phức kí hiệu là C.
Gọi x là phần thực của z, kí hiệu Rez =x
y là phần ảo của z,kí hiệu là Imz =y
Gọi môđun của z,kí hiệu z xác định bởi số thực không âm
z = x2 + y2 = r ≥ 0
11
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Gọi Acgumen của z ,kí hiệu Argz xác định bởi số thực
⎧ x y⎫
Argz= θ ∈ R; ⎨θ ∈ R; cos θ = và sin θ = ⎪ ,
⎬ với z ≠ 0
z z⎪
⎩ ⎭
Như vậy Acgumen của z sai khác nhau k 2π , k ∈ Z và Arg0 không xác định.
Vậy số phức z có các dạng viết:
1. z =x+iy gọi là dạng chính tắc hay dạng đại số của số phức z .
2. z = r (cosθ + i sin θ ) gọi là dạng lượng giác của số phức z.
b. Các phép toán trên tập C
Phép so sánh bằng nhau
⎧x = x '
( ' '
)
∀ x, y , x , y ∈ R , 4 ' ⎪
x + iy = x + iy ⇔ ⎨ '
⎪y = y'
⎩
Phép lấy liên hợp
Cho z = x + iy ∈ C ,liên hợp của z,kí hiệu z cho bởi z = x − iy
Phép lấy số phức đối
Cho z=x+iy∈ C,số phức đối của z, kí hiệu –z (đọc là trừ z ) được xác định:
-z = -x-iy
Phép cộng
Cho z = x+iy,z’= x’+iy’,tổng của z và z’,kí hiệu z+z’ xác định như sau:
z+z’=(x+x’)+i(y+y’)
Phép nhân
Cho z=x+iy và z’=x’+iy’,tích của z và z’,kí hiệu z.z’ xác định như sau:
z.z’=(xx’-yy’) + i(xy’+x’y)
Phép trừ và phép chia
Là các phép tính ngược của phép cộng và phép nhân
z − z ' = z + (− z ' )
z
= z" ⇔ z = z '.z"
z'
Phép luỹ thừa,công thức Moavrờ ( Moivre)
Cho z = r (cosθ + i sin θ ), ∀k ∈ Z
Gọi z k là luỹ thừa bậc k của z. Bằng qui nạp ,dễ chứng minh được
z k = r k (cos kθ + i sin kθ )
12
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Phép khai căn bậc n của z ∈C* .
Cho n ∈ N * , z = r (cosθ + i sin θ ) . Gọi ς ∈ C * là căn bậc n của z, kí hiệu n z ,xác
định như sau: ςn = z
1
⎧ρ n = r
Nếu gọi ρ = ς và Φ = Arg ς thì ⎨ hay là ρ = r n và
⎩nΦ = θ + 2kπ
Φ= θ + 2kπ với k = 0,1,2,..., n − 1 .
n
Vậy số z có đúng n căn bậc n, đó là các số phức có dạng:
θ + 2kπ θ + 2kπ ⎞
1
⎛
ς = r ⎜ cos
n
+ i sin ⎟ k = 0,1,2,..., n − 1
⎝ n n ⎠
c. Áp dụng số phức vào lượng giác
Khai triển cos nθ , sin nθ , tgnθ
Cho θ ∈ R, n ∈ N * .Áp dụng công thức Moivre và công thức nhị thức Newton
n
cos nθ + i sin nθ = (cosθ + i sin θ ) = ∑ Cn cos n − k θ .i k sin k θ
kn
k =0
1. cos nθ biểu diễn dưới dạng một đa thức của cosθ ,gọi đó là công
thức Chebyshev loại 1.
2. sin nθ bằng tích của sin θ với một đa thức của cosθ ,gọi là đa thức
Chebyshev loại 2.
sin nθ
sin nθ Cntgθ − Cn tg 3θ + L
1 3
= cos θ =
n
3. tgnθ =
cos nθ cos nθ 1 − Cn tg 2θ + Cn tg 4θ − L
2 4
cos n θ
Tuyến tính hoá cos p θ , sin p θ , cos p θ .sin q θ
⎧ 1
⎪2 cosθ = ω + ω = ω + ω
⎪
Cho θ ∈ R , p ∈ N * , ω = e iθ ⇒ ⎨
⎪2i sin θ = ω − ω = ω − 1
⎪
⎩ ω
p p
⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
Vậy 2 p cos p θ = ⎜ ω + ⎟ và (2i )p sin p θ = ⎜ω − ⎟
⎝ ω⎠ ⎝ ω⎠
Sử dụng công thức nhị thức Newton và xét các trường hợp sau đây:
13
Chương 1: Giới hạn của dãy số
a. Trường hợp p = 2m, m ∈ N *
⎛ 1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎞
2 2 m cos 2 m θ = ⎜ ω 2 m + 2 m ⎟ + C 2 m ⎜ ω 2 m − 2 + 2 m − 2 ⎟ + L + C 2 m
m
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2 cos 2mθ + 2C 2 m cos 2(m − 1)θ `+ L + 2C 2 m 1 cos 2θ + C 2 m
1 m− m
⎛ 1 m m −1 k ⎞
cos 2 m θ = 2 −( 2 m −1) ⎜ C 2 m + ∑ C 2 m cos 2(m − k )θ ⎟
⎝2 k =0 ⎠
⎛ 1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎞
22 m (−1) m sin 2 m θ = ⎜ ω 2 m + 2 m ⎟ − C2 m ⎜ ω 2 m − 2 + 2 m − 2 ⎟ + L + (−1) m C2 m
m
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2 cos 2mθ − 2C2 m cos 2(m − 1)θ + L + (−1) m C2 m
1 m
m ⎛ ( −1) ⎞
m m −1
sin 2 m θ = 2− ( 2 m −1) (− 1) ⎜⎜ 2 C2 m + ∑ (−1) k C2 m cos 2(m − k )θ ⎟
m k
⎟
⎝ k =0 ⎠
b.Trường hợp p = 2m + 1, m ∈ N
⎛ 1 ⎞ ⎛⎛ 1 ⎞⎞ ⎛ 1⎞
2 2 m+1 cos 2 m+1 θ = ⎜ ω 2 m+1 + 2 m+1 ⎟ + C 2 m+1 ⎜ ⎜ ω 2 m−1 + 2 m−1 ⎟ ⎟ + L + C 2 m+1 ⎜ ω + ⎟
1
⎜ ⎟
m
⎝ ω ⎠ ⎝⎝ ω ⎠⎠ ⎝ ω⎠
= 2 cos(2m + 1)θ + 2C 2 m+1 cos(2m − 1)θ + L + 2C 2 m+1 cosθ
1 m
m
cos 2 m+1 θ = 2 −2 m ∑ C 2 m+1 cos(2m + 1 − 2k )θ
k
k =0
⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
22 m +1 i (−1) m sin 2 m +1 θ = ⎜ ω 2 m +1 + 2 m +1 ⎟ − C2 m +1 ⎜ ω 2 m + − − 2 m −1 ⎟ + L
1
⎝ ω ⎠ ⎝ ω ⎠
= 2i sin(2m + 1)θ − 2i.C2 m +1 sin(2m − 1)θ + L + 2i (−1) m C2 m +1 sin θ
1 m
m
sin 2 m +1 θ = 2− 2 m (− 1) ∑ (−1) C2 m +1 sin(2m + 1 − 2k )θ
m k k
k =0
Để tuyến tính hoá cos θ. sin q θ trước hết tuyến tính hoá từng thừa số
p
cos p θ , sin q θ , sau đó thực hiện phép nhân rồi cùng tuyến tính hoá các số hạng
thu được.
1.2.3 Dãy số thực
a. Các khái niệm cơ bản của dãy số thực
Định nghĩa
Một dãy số thực là một ánh xạ từ N vào R,kí hiệu:
u:N →R
hay đơn giản nhất,kí hiệu (un)
14
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Với n = n0 ∈ N xác định, un gọi là số phần tử thứ n0 của dãy,un thường là một
0
biểu thức phụ thuộc vào n gọi là phần tử tổng quát của dãy,chẳng hạn cho các
⎛ ⎛ 1 ⎞n ⎞
dãy sau đây: (1), ((−1) ),
n +1 ⎛1⎞
⎜ ⎟, ⎜ ⎜1 + ⎟ ⎟
⎜⎝ n ⎠ ⎟
⎝n⎠ ⎝ ⎠
Sự hội tụ, sự phân kì của dãy số
1. Dãy (un) hội tụ về a ∈ R nếu
∀ε > 0, ∃n0 ∈ N , ∀n ∈ N , n > n0 ⇒ un − a < ε
Kí hiệu lim un = a ,
n→∞
rõ ràng (un-a) hội tụ về 0.
2. Dãy (un) hội tụ nếu có số a ∈ R để lim un = a
n→∞
3. Dãy (un) phân kì nếu nó không hội tụ,nghĩa là:
∀a ∈ R, ∃ε > 0, ∀n ∈ N , ∃n0 ∈ N , n0 > n, un − a ≥ ε
4. Dãy (un) nhận +∞ làm giới hạn nếu
∀A > 0, ∃n0 ∈ N , ∀n > n0 ⇒ un > A
Kí hiệu lim un = +∞ ,
n→∞
đôi khi nói rằng (un) tiến tới + ∞
5. Dãy (un) nhận -∞ làm giới hạn nếu
∀B < 0 ∃n0 ∈ N , ∀n > n0 ⇒ un < B .
Kí hiệu lim un = −∞
n→∞
Dãy có giới hạn là +∞ hoặc -∞ cũng gọi là phân kỳ.
Dãy số bị chặn
1. Nói rằng (un) bị chặn trên bởi số A∈ R nếu ∀n ∈ N , un ≤ A .
2. Nói rằng (un) bị chặn dưới bởi số B∈R nếu ∀n ∈ N , un ≥ B .
3. Nói rằng (un) là dãy bị chặn nếu tồn tại M ∈ R+ sao cho ∀n ∈ N , un ≤ M .
b. Tính chất của dãy hội tụ
Tính duy nhất của giới hạn
Định lí: Dãy (un) hội tụ về a thì a là duy nhất
Tính bị chặn
1. Dãy (un) hội tụ thì bị chặn trong R.
2. Dãy (un) tiến đến +∞ thì bị chặn dưới.
15
Chương 1: Giới hạn của dãy số
3. Dãy (un) tiến đến -∞ thì bị chặn trên.
Tính chất đại số của dãy hội tụ
1. n →∞ un = a ⇒ n →∞ un = a .
lim lim
2. n →∞ un = 0 ⇔ n →∞ un = 0 .
lim lim
3. lim un = a, lim vn = b ⇒ lim (un + vn ) = a + b
n→∞ n→∞ n→∞
.
4. lim un = a ⇒ lim λun = λa
n →∞ n→∞
.
5. lim un = 0,
n→∞
(vn) bị chặn ⇒ lim (un vn ) = 0 .
n→∞
6. lim un = a, lim vn = b ⇒ lim (un vn ) = ab .
n→∞ n→∞ n→∞
un a
7. lim un = a, lim vn = b ≠ 0 ⇒ lim = .
n→∞ n→∞ n →∞ vn b
Tính chất về thứ tự và nguyên lý kẹp
1. Giả sử lim un = l ∈ ( a, b) .Khi
n→∞
đó ∃n0 , ∀n > n0 ⇒ a < un < b
2. Giả sử lim un = l
n→∞
và ∃ n0, , ∀n > n0 có a ≤ un ≤ b khi đó a ≤ l ≤ b
3. Giả sử 3 dãy (un),(vn),(wn) thoả mãn:
∃n0 , ∀n > n0 ⇒ un ≤ vn ≤ wn và lim un = lim wn = a
n→∞ n→∞
Khi đó lim vn = a
n →∞
4. Giả sử ∀n > n0 mà un ≤ vn và lim un = +∞ .Khi
n→∞
đó lim vn = +∞
n →∞
c. Tính đơn điệu của dãy số
Dãy đơn điệu
1. Dãy (un) tăng nếu ∀n ∈ N , un ≤ un +1 ,
Dãy (un) tăng ngặt nếu ∀n ∈ N , un < un +1 .
2. Dãy (un) giảm nếu ∀n ∈ N , un ≥ un +1 ,
Dãy (un) giảm ngặt nếu ∀n ∈ N , un > un +1 .
3. Dãy (un ) đơn điệu nếu nó tăng hoặc giảm.
Dãy (un ) đơn điệu ngặt nếu nó tăng ngặt hoặc giảm ngặt
Định lí 1:
16
Chương 1: Giới hạn của dãy số
1. Mọi dãy tăng và bị chặn trên thì hội tụ.
2. Mọi dãy giảm và chặn dưới thì hội tụ.
Định lí 2:
1. Dãy (un) tăng và không bị chặn trên thì dần đến + ∞ .
2. Dãy (un) giảm và không bị chặn dưới thì dần đến −∞.
Dãy kề nhau
Hai dãy (un),(vn) gọi là kề nhau khi và chỉ khi (un) tăng (vn) giảm và
lim (vn − un ) = 0
n→∞
Định lí: Hai dãy kề nhau thì hội tụ và có chung một giới hạn l, ngoài ra
∀n ∈ N , un ≤ un +1 ≤ l ≤ vn +1 < vn
Hệ quả: (Định lí về các đoạn lồng nhau)
Cho hai dãy (an),(bn) thoả mãn : ∀n ∈ N , an ≤ bn , [an +1 , bn +1 ] ⊂ [an , bn ] và
lim (bn − an ) = 0
n→∞
Khi đó tồn tại duy nhất số l sao cho I [a , b ] = {l}
n n
n∈ N
d. Dãy con
Cho (un),từ các số hạng của nó lập một dãy mới (un k ) với n1 < n2 < ...
0, b0 > 0
19
Chương 1: Giới hạn của dãy số
a) Chứng tỏ rằng an >0, bn >0 ∀n ∈ N .
b) Biểu diễn xn+1 qua xn.
c) Tính xn+1 - xn và chứng tỏ rằng (xn) đơn điệu. Hãy tìm lim xn
n →∞
Câu 10. Chứng tỏ rằng các dãy sau có giới hạn hữu hạn
1 1 1 1
a) x n = 1 + 2
+L+ 2 . b) x n = +L+ .
2 n 2! n!
Câu 11. Chứng tỏ các dãy sau có giới hạn là + ∞
1 1
a) x n = 1 + +L+ .
2 n
2 3 n +1
b) x n = log a + log a + L + log a , a>1.
1 2 n
Câu 12. Tìm giới hạn của dãy sau:
2
a) x n = + 1 , x0 = 1 .
x n −1
b) x n = 1 + x n −1 , x0 = 3 .
c) xn(3 + xn-1) + 1 = 0, x0 = 1.
d) x n = a + x n −1 (n > 1), x1 = a , a >0.
x n + x n −1
e) x n +1 = , x1 = 0, x2 = 1.
2
1 x 2 −1 1
f) x n = + n , x1 = .
2 2 2
5 + x 2 −1
g) x n = n
, x1 > 5.
2x n −1
Câu 13. Chứng minh rằng một dãy đơn điệu có giới hạn nếu nó có một dãy
con có giới hạn.
Câu 14. Chứng minh rằng nếu ba dãy con (x2n), (x2n+1) và (x3n) hội tụ thì dãy
(xn) hội tụ.
Có thể thay số 2 bởi số tự nhiên k >2 được không?.
x n +1
Câu 15. Nếu x n → a (hữu hạn hay vô hạn).Có thể nói gì về lim .
n →∞
xn
20
Chương 1: Giới hạn của dãy số
SỐ PHỨC
Câu 1. Cho E,F,G,H ⊂ R 2 , xác định bởi các hệ thức sau:
x y
E: x 2 − y2 = . F: 2xy + = 3.
x + y2 2
x + y2
2
G: x3 - 3xy2 +3y = 1. H: 3x2y - 3x -y3 =0.
Chứng minh E ∩ F = G ∩H.
Câu 2. Có tồn tại ( z 1 , z 2 ) ∈ C 2 để thoả mãn các điều kiện dưới đây không?
z1 + z2 =1 , z12 + z22 = 2 , z13 + z23 = 3.
Câu 3. Tìm tất cả các ( x, y, z ) ∈ C 3 sao cho
⎧ x, y, z Khác nhau từng đôi một
⎨
⎩ x( x − 1) + 2 yz = y ( y − 1) + 2 xz = z ( z − 1) + 2 x
Câu 4. Giải hệ phương trình với ẩn ( x, y, z) ∈ C 3
xy = z , yz = x , zx = y.
Câu 5. Cho ánh xạ f: C → C thoả mãn
⎧∀x ∈ R, f ( x) = x
⎪
⎨ ⎧f(z + z' ) = f(z) + f(z' )
⎪∀( z , z ' ) ∈ C , ⎨ f ( zz ' ) = f ( z ). f ( z ' )
2
⎩ ⎩
f ( z ) = z ∀z ∈ C
Chứng minh [
f ( z ) = z ∀z ∈ C
Câu 6. Giải phương trình với ẩn số z∈ C
2z + 6 z = 3 + 2i
Câu 7. Xác định tập các số phức z ∈ C sao cho z = r0 z , r0∈ R
Câu 8. Với (a,b,c)∈ C 3 thoả mãn a a = b b = cc = 1 và a+b+c = 0. Chứng
minh a3 = b3 =c3
Câu 9. Chứng minh ∀(z, z' ) ∈ C 2
2 2 2 2
a. z + z' + z − z' = 2( z + z' ) (Hằng đẳng thức hình bình hành).
2 2 2 2
b. zz' + 1 + z − z' = (1 + z )(1 + z' ) .
2 2 2 2
c. zz' − 1 − z − z' = (1 − z )(1 − z' ) .
1 2 2 2 2
d. zz' = ( z + z' − z − z' + i z + i z' − i z − i z' ) .
4
21
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n n
Câu 10. Cho n ∈ N * , (z1,...,zn) ∈ C n .Chứng minh ∑ zk = ∑ zk
k =1 k =1
khi và chỉ
khi ∃u ∈ C , ∃(α 1 ,..., α n ) ∈ R+n , z k = α k .u, k = 1, n
Câu 11. Chứng minh ∀(a , b) ∈ C 2
2 2 2
a. a + b ≤ (1 + a )(1 + b ) . Khi nào xảy ra đẳng thức?
b. 2a b a −b ≥ (a + b)ab −ba
d−a d−b
Câu 12. Cho a,b,c,d∈ C khác nhau từng đôi một sao cho và là
b−c c−a
d−c
những số thuần ảo. Chứng minh rằng cũng thuần ảo.
a−b
Câu 13. Xác định tập hợp các điểm M có toạ vị z thoả mãn điều kiện:
a. z = 2 z − 1 .
z2
b. ∈ iR .
z+i
Câu 14. Tính Sup z 3 − z + 2
z =1
Câu 15. Với a ∈ R ,ẩn (x,y)∈ R 2 . Tìm nghiệm của hệ
⎧cos a + cos(a + x ) + cos(a + y) = 0
⎨
⎩sin a + sin(a + x ) + sin(a + y) = 0
Câu 16. Giải các phương trình sau trên trường số phức:
a. z2 - 2zcos θ +1 = 0 , θ ∈ R .
b. z3 - (1- 2i)z2 + (1-i)z -2i = 0, biết rằng phương trình có một nghiệm
thuần ảo.
Câu 17. Giải các phương trình với ẩn số (x,y,z)∈ C 3
⎧x = y 2
⎧( x + y)( x − y ) = 819
3 3
⎪
a. b. ⎨y = z
2
⎨
⎩( x − y)( x + y ) = 399
3 3
⎪z = x 2
⎩
Câu 18. Chứng minh với α ∈ R
1 + itgα n 1 + itgnα
a. ( ) = .
1 − itgα 1 − itgnα
1
b. zm + z-m = 2cosm α nếu z + = 2 cos α .
z
22
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n
Câu 19. Cho (n,x) ∈ N * × R , tính S= ∑ cos
k=0
3
kx .
Câu 20. Với ( n, x ) ∈ N × ( R − 2πZ ) tính các tổng:
n n
a. A n (x) = ∑ e ikx . b. B n (x) = ∑ A k (x) .
k=−n k =0
1.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG I
SỐ THỰC
Câu 2. Rút gọn về dạng toàn phương bằng phương pháp Gauss
a. (0,0,0).
3
b. ( 3z, z ,z) , z∈ R hoặc (6t, 3t, 2t) ,t∈ R .
2
Câu 3. Không tồn tại InfE , SupE = -1 = MaxE
1
Câu 4. a) 1; b) ; c) 0; d) 0
4
1 a
Câu 5. a) ; b) ; c) 0; d) 0
2 2
3
Câu 6. a) 1; b) ; c) 1;
2
Câu 7. Hãy biểu diễn tam thức dưới dạng chính tắc, sau đó sử dụng nguyên
lý kẹp.
Câu 8. a) Dùng phương pháp phản chứng.
b) Chứng minh (xn) tăng và không bị chặn trên.
2x n + 3
Câu 9. a) Dùng qui nạp. b) xn =
xn + 2
( 3 − x n )( 3 + x n )
c) xn+1 - xn =
xn + 2
Bằng qui nạp chứng minh:
* Nếu x0 < 3 thì (xn) tăng và xn < 3 ∀n . Qua giới hạn sẽ có xn → 3
* Nếu x0 > 3 thì (xn) giảm và xn > 3 ∀n . Qua giới hạn sẽ có xn → 3
* Nếu x0 = 3 thì xn = 3 ∀n .
Tóm lại lim x n = 3 không phụ thuộc x0,tức là không phụ thuộc a0,b0.
n →∞
23
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Câu 10.
1 1 1
a) Rõ ràng xn < xn+1 và xn < 1 + +L+ = 2 − < 2, ∀n > 1
1.2 (n − 1)n n
b) Tương tự a)
Câu 11. a) xn > n
b) xn = log a (n + 1)
Câu 12.
a) Rõ ràng xn >1 ∀n ∈ N * , ta có biểu diễn
x n−2 x n −1 − 2
xn = +1 và xn+1 - 2 = , ∀n
2 + x n−2 x n −1 + 2
Suy ra : (x2n) tăng và bị chặn trên bởi số 2.
(x2n+1) giảm và bị chặn dưới bởi số 2.
Lý luận sẽ nhận được lim x n = 2
n →∞
b) Qui nạp sẽ nhận được dãy (xn) đơn điệu giảm và bị chặn dưới bởi số 0,
suy ra
1
lim x n = a ≥ 0 , ta có a2 = 1+ a ⇒ a = (1 + 5)
n →∞
2
1
c) Bằng qui nạp chứng minh được − (3 − 5 ) < x n < 0, ∀n ≥ 1 ngoài ra
2
x n − x n −1
xn+1 - xn =
(3 + x n −1 )(3 + x n )
Vậy (xn) đơn điệu giảm và bị chặn dưới do đó
1
lim x n = a = − (3 − 5 )
n →∞
2
d) Bằng qui nạp chứng minh xn < xn+1 và xn < a + 1 ∀n
1 + 1 + 4a
Đặt lim x n = b, b=
n→∞ 2
x1 + x 0 x + x1
e) x2 = , x3 = 2 ,...
2 2
1 1
x2 - x1 = (x0 - x1), x3 - x2 = (x1 - x2), ...
2 2
x 2 − x1
Bằng qui nạp chứng minh xk - xk-1 = ( −1) k − 2 , k≥2
2 k −2
24
Chương 1: Giới hạn của dãy số
n−2
Cộng liên tiếp xn - x1 = (x2 -x1)[ 1 − 1 + 12 + ... + (−1)−2 ]
n
2 2 2
x 2 − x1
2 n-2
= (x2 - x1) - (-1) 3.2 n − 2
3
2x 2 − x 1 x −x
xn = − (−1) n − 2 2 n − 2 1
3 3.2
2
lim x n =
n →∞ 3
f) Rõ ràng xn > 0 ∀n , bằng qui nạp chứng minh được (xn) đơn điệu tăng
và
1 a2
xn< 1 ∀n lim x n = a = +
n →∞ 2 2
g) xn = 1 ( 5
+ x n −1 ) ≥ 5 , ∀n . Suy ra xn > xn+1. Vậy tồn tại a = lim x n và
2 x n −1 n→∞
suy ra a = 5.
SỐ PHỨC
Câu 1. Đặt z = x + iy, (x,y) ∈ R 2
y x 1
(x,y) ∈ E ∩ F ⇔ x2 - y2 + i(2xy + )= 2 + 3i ⇔ z 2 = + 3i
x +y
2 2
x +y 2
z
⎧ x 3 − 3 xy 2 + 3 y = 1
⎪
⇔⎨ 2 ⇔ ( x, y ) ∈ G ∩ H
⎪3 x y − 3x − y 3 = 0
⎩
Câu 2. Không
Câu 3. Không tồn tại.
⎧ xyz( xyz − 1) = 0
⎪ (0,0,0), (1,1,1)
⎪
Câu 4. ⎨
⎪ xy = z, yz = x, zx = y ⇒ (1,-1,-1), (-1,1,-1)
⎪
⎩ (−1,−1,1)
Câu 5. Xét (f(i))2 = f(i2) = f(-1) =-1 ⇒ f(i) = ε i ε = {±1}
Xét (x,y)∈ R 2 ,f(x+iy) = f(x) +f(iy) = f(x) + f(i)f(y) = x + ε iy
Kiểm tra f(z) = z hoặc f(z) = z thoả mãn.
3 1
Câu 6. z = − i
8 2
25
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Câu 7. z ∈ R ∪ iR
1 1 1 bc + ca + ab
Câu 8. a+b+c = 0⇒ + + = = 0 ⇒ a 2 = − a (b + c) = bc
a b c abc
⇒ a 3 = abc
Do tính đối xứng suy ra a3 = b3 = c3
2
Câu 9. Áp dụng: ∀z ∈ C thì z = z z và các tính chất của phép lấy liên hợp.
Câu 10. Qui nạp theo n.
2
Câu 11. a) Xét (1+ a 2 )(1 + b 2 ) − a + b 2 = 1 + a 2 b 2 − ab − ab = 1 − ab
a
1 − ab = 0 ⇔ a ≠ 0 và b = 2
a
b) a = 0 hoặc b =0 đúng
a −b
Xét a ≠ 0, b ≠ 0 : Đặt u = ,v = . Bất đẳng thức đã cho tương
a b
đương với
a b 1
u+ v≥ u+v
a+b a+b 2
a 1 1
Kí hiệu λ = ∈ (0,1) m= (u + v), d = (v − u )
a+b 2 2
Vậy qui về m + (1 − 2λ )d ≥ m
1 2 2
Chú ý rằng Re(m d) = Re( (u v − uv)) = 0 vì u = v = 1
4
d−a 1
Câu 12. Ta có = (d − a )(b − c) thuần ảo ⇒ (d − a )( b − c) thuần
b−c b−c2
ảo.
Mặt khác ta có số thuần ảo s = ( b a − a b)(cb − bc)(a c − ca )
= ( d − a )(b − c ) + ( d − b)(c − a ) + ( d − c )( a − b)
Suy ra điều phải chứng minh.
4 2
Câu 13. a) Đường tròn tâm (0, ) và bán kính
3 3
z2 z 2 ( z − i)
b) Biểu diễn = , Re(z2( z -i))=x(x2 + y2 + 2y)
z+i z +i
2
26
Chương 1: Giới hạn của dãy số
Trục Oy và đường tròn tâm (0,-1) bán kính 1 bỏ đi điểm (0,-1)
Câu 14. 13
⎧1 + cos x + cos y = 0
Câu 15. ⎨
sin x + sin y = 0
⎩
2π 2π
(x,y) = (± + 2mπ ,m + 2nπ ), m, n ∈ Z
3 3
Câu 16. a) z = e ± iθ
b) Gọi z = ix là nghiệm thuần ảo ⇒ x = 1
z3 + (1-2i)z2 + (1 - i)z - 2i = (z -i).[z2+(1-i)z + 2]
1
z1 = i, z2,3 = {−1 − 17 − 4 + (1 ± 17 + 4 )i}
2
⎧ 2
⎪( x − y )( x + y ) = 1029
2 2
Câu 17. a) Đưa về tương đương với ⎨ 2
⎪( x − y 2 )( x − y ) 2 = 189
⎩
⎧u = x − y
Đặt ⎨ ⇒ u 8 = 38
⎩v= x+ y
(5,2), (-2 ω,−5ω), (5i,2i), (−2iω,−5iω), (−5,−2), (2ω,5ω), (−5i,−2i), (2iω,5iω)
2i
π
1+ i
trong đó ω = e 8
=
2
b) Suy ra x = y2 = z4 = x8 ⇒ x = 0, x7 = 1
2 ikπ
(0,0,0), ( ω k , ω k4 , ω k2 ), k = 0,6 , ω k =e 7
1
Câu 19. cos3kx = (cos3kx + 3coskx)
4
* x ∈ 2πZ thì S = n
3(n + 1) x (n + 1) x
sin sin
1 3nx 2 nx 2
* x ∉ 2πZ thì S = {cos + 3 cos − 4}
4 2 3x 2 x
sin sin
2 2
(n + 1)
n sin x
Câu 20. An(x) = -1 + 2∑ cos kx = −1 + 2 cos nx 2
k =0 2 x
sin
2
1
sin(n + x)
Biến đổi tiếp An(x) = 2
x
sin
2
27
Chương 1: Giới hạn của dãy số
2
⎛ n +1 ⎞
1 n
1 ⎜ sin ⎟
2 ⎟
x∑
Bn(x) = sin(k + ) x = ⎜
sin k =0
2 ⎜ sin x ⎟
⎜ ⎟
2 ⎝ 2 ⎠
28
Chương 2: Hàm số một biến số
CHƯƠNG II: HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ
2.1 MỤC ĐÍCH
Mọi vật xung quanh ta đều biến đổi theo thời gian. Chúng ta có thể nhận thấy
điều đó qua sự chuyển động cơ học của các vật thể: ô tô, máy bay; sự thay đổi của
các đại lượng vật lý: nhiệt độ, tốc độ, gia tốc; sự biến động kinh tế trong một xã
hội: Giá cổ phiếu, lãi suất tiết kiệm,.... Tất cả các loại hình đó được gán một tên
chung là đại lượng hay hàm số, nó phụ thuộc vào đối số nào đó, chẳng hạn là thời
gian. Xem xét hàm số tức là quan tâm đến giá trị, tính chất và biến thiên của nó.
Việc đó đặt ra như một nhu cầu khách quan của con người và xã hội.
Trong mục thứ nhất của chương này, người đọc cần nắm vững hàm số và
ký hiệu hàm số. Lưu ý rằng ánh xạ f hay “quy luật” nêu trong định nghĩa có tính
tổng quát, không nhất thiết phải là một công thức giải tích trên khoảng xác định
của nó. Nó có thể biểu thị bằng nhiều công thức trong các khoảng con của tập
xác định hoặc bằng số hoặc bằng đồ thị. Nắm vững các tính chất của hàm số là
điều vô cùng quan trọng. Chẳng hạn nếu hàm chẵn hoặc lẻ trên khoảng (-a,a) thì
chỉ cần xét trên khoảng (0,a), hàm tuần hoàn chu kỳ T, chỉ cần xét trên khoảng
T T
(− , ) là có thể biết toàn cảnh của hàm số đó. Tính chất này của hàm số sẽ
2 2
còn được xem xét ở các chương tiếp theo. Những hàm số thông dụng là các
hàm số sơ cấp cơ bản, là hàm hữu tỉ luôn luôn được sử dụng trong các chương
sau. Phải lưu ý đến tập giá trị của các hàm ngược của các hàm lượng giác. Khi
xem xét các hàm sơ cấp cơ bản là phải phác thảo được đồ thị của chúng, có như
thế chúng ta mới thấy được đặc tính của hàm số, đặc biệt đặc tính của hàm số ở
lân cận x=0 và lân cận vô cùng (những điểm khá xa gốc toạ độ).
Trong mục thứ hai khái niệm giới hạn của hàm số là bao hàm khái niệm
giới hạn của dãy số thể hiện qua định nghĩa của nó, đặc biệt qua định lý về mối
liên hệ với dãy số. Nhớ lại rằng giới hạn là một khái niệm khó nên các tính chất
của hàm có giới hạn, các điều kiện cần, các điều kiện đủ phải hiểu chính xác.
Ngoài ra cũng cần phải lưu ý khái niệm giới hạn một phía bởi vì các hàm
thường được cho không phải luôn luôn dưới dạng sơ cấp. Tất cả các khái niệm
28
Chương 2: Hàm số một biến số
trên người học phải minh hoạ được bằng đồ thị. Cuối cùng là các giới hạn đáng
nhớ, chúng được coi là các giới hạn đi cùng với chúng ta suốt quá trình học tập.
Trong mục thứ ba lớp các vô cùng bé, vô cùng lớn được đề cập một cách
tự nhiên, bởi vì chúng có mối liên hệ trực tiếp với hàm số có giới hạn. Hơn nữa
trong các tính toán thường hay gặp các đại lượng này. Cần nắm được các so
sánh vô cùng bé, vô cùng lớn bởi vì nó rất có ích trong quá trình khử các dạng
bất định, trong quá trình đánh giá, tính gần đúng và đặc biệt là cách mô tả sau
này. Biết các vô cùng bé hoặc vô cùng lớn tương đương thực sự đã có kỹ năng
kỹ xảo giải các bài tập sau này.
Cuối cùng trong mục thứ tư chúng ta đề cập đến một lớp hàm số đặc biệt
quan trọng bởi vì nó luôn luôn xuất hiện trong toán cao cấp A1, A3: Hàm số liên
tục. Việc mô tả hình học hàm số liên tục tại x0, liên tục một phía tại x0, liên tục
trên khoảng (a,b), trên đoạn [a,b] ,... là việc làm vô cùng cần thiết. Nó phản ánh
sự hiểu thấu đáo về tính liên tục, tính gián đoạn của hàm số. Cũng nhờ tính chất
log a (1 + x)
liên tục của hàm số mà có thể khử được các dạng bất định đặc biệt : ,
x
a x −1
, [u ( x)]v( x ) . Khi đề cập đến hàm liên tục trên một đoạn kín là phải nghĩ
x
ngay đến tính trù mật, tính đạt được giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nó, tính liên
tục đều. Những tính chất này làm cơ sở cho bài toán tìm giá trị bé nhất, lớn
nhất, tìm nghiệm gần đúng của phương trình đại số hay tính khả tích của nó.
2.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
2.2.1 Các khái niệm cơ bản về hàm số
a. Các định nghĩa cơ bản
Định nghĩa hàm số
Cho X là tập không rỗng của R. Một ánh xạ f từ X vào R gọi là một
f :X →R
hàm số một biến số
x a f (x)
X gọi là tập xác định của f , gọi là tập giá trị của f . Đôi khi ký
f (X )
hiệu y = f ( x ), x ∈ X x gọi là đối số, y gọi là hàm số.
Hàm chẵn, lẻ
Cho X đối xứng với 0 tức là ∀x ∈ X , − x ∈ X
29
Chương 2: Hàm số một biến số
Hàm số f (x) chẵn khi và chỉ khi f ( x) = f (− x) .
Hàm số f (x) lẻ khi và chỉ khi f ( x) = − f (− x).
Hàm số tuần hoàn
*
Hàm số f(x) gọi là tuần hoàn trên X nếu tồn tại τ ∈ R+ sao cho ∀x ∈ X
thì x+τ ∈ X và f (x+ τ )= f (x).
Số T dương bé nhất trong các số τ gọi là chu kì của hàm số tuần hoàn
f(x).
Hàm số đơn điệu
Cho f (x) với x ∈ X .
1. Nói rằng f (x) tăng nếu ∀x1, x2 ∈ X , x1 ≤ x2 ⇒ f ( x1 ) ≤ f ( x2 ) .
và f (x) tăng ngặt nếu ∀x1 , x2 ∈ X , x1 < x2 ⇒ f ( x1 ) < f ( x2 ) .
2. Nói rằng f (x) giảm nếu ∀x1, x2 ∈ X , x1 ≤ x2 ⇒ f ( x1 ) ≥ f ( x2 ) .
và f (x) giảm ngặt nếu ∀x1 , x2 ∈ X , x1 < x2 ⇒ f ( x1 ) > f ( x2 ) .
3. Nói rằng f (x) đơn điệu nếu nó tăng hoặc giảm.
Nói rằng f (x) đơn điệu ngặt nếu nó tăng ngặt hoặc giảm ngặt.
Hàm số bị chặn
1. Hàm số f (x) bị chặn trên trong X nếu tồn tại số A sao cho :
∀x ∈ X , f ( x ) ≤ A .
2. Hàm số f (x) bị chặn dưới trong X nếu tồn tại số B sao cho:
∀x ∈ X , f ( x ) ≥ B
3. Hàm số f (x) bị chặn trong X nếu tồn tại các số A,B sao cho:
∀x ∈ X , B ≤ f ( x ) ≤ A .
Hàm số hợp
Cho f : X → R và g: Y → R với f (X ) ⊂ Y gọi ánh xạ
g0 f : X → R
x a g ( f ( x ))
Hay y = g( f (x)) là hàm số hợp của hai hàm f và g.
30
Chương 2: Hàm số một biến số
Định lí:
Nếu f ,g : X → R bị chặn trên thì f + g cũng bị chặn trên và
Sup( f ( x ) + g ( x )) ≤ Sup f ( x ) + Sup g ( x )
X X X
1. Nếu f ,g : X → R bị chặn trên và không âm thì f . g bị chặn trên và
Sup( f ( x ).g ( x )) ≤ Sup f ( x ). Sup g ( x )
X X X
2. Nếu f :X →R bị chặn trên và λ ∈ R* thì λf bị chặn trên đồng thời
Sup λ. f ( x ) = λ Sup f ( x )
X X
3. Để f :X →R bị chặn dưới, điều kiện cần và đủ là - f bị chặn trên và
khi đó Inf f ( x ) = − Sup(− f ( x ))
X X
Hàm số ngược
Cho song ánh f : X → Y, X ,Y ⊂ R
Ánh xạ ngược f −1 : Y → X gọi là hàm số ngược của f
y a x = f −1 ( y )
Thông thường đối số kí hiệu là x, hàm số kí hiệu là y, vậy hàm ngược
của y = f ( x ) là hàm số y = f −1 ( x ) . Vì thế trên cùng mặt phẳng toạ độ 0xy, đồ
thị của hai hàm số f và f −1 là đối xứng nhau qua đường phân giác của góc
phần tư thứ I và III.
b. Các hàm số thông dụng
Hàm luỹ thừa
Cho α ∈ R . Hàm luỹ thừa với số mũ α ,được kí hiệu là Pα , là ánh xạ từ
*
R+ vào R, xác định như sau ∀x ∈ R+ , Pα ( x) = xα
*
Nếu α > 0 , coi rằng P (0) = 0
α Nếu α = 0 , coi rằng P0 (0) = 1
Hàm mũ cơ số a
Xét a ∈ R+ \ {1} . Hàm mũ cơ số a, kí hiệu là
*
expa x , là ánh xạ từ R vào
R+ , xác định như sau: ∀x ∈ R ,
*
exp a x = a x .
Hàm lôgarit cơ số a
Xét a ∈ R+ \ {1} . Hàm lôgarit cơ số a, kí hiệu là log a , là ánh xạ ngược
*
với ánh xạ expa , như vậy ∀( x , y ) ∈ R+ × R ,
*
y = log a x ⇔ x = a y
31
Chương 2: Hàm số một biến số
Tính chất của hàm số lôgarit
1. log a 1 = 0
log a xy = log a x + log a y
2. ∀x , y ∈ R , *
+ x
log a = log a x − log a y
y
∀α ∈ R log a x α = α log a x
3. ∀a, b ∈ R+ , log b x = log b a. log a x
*
4. ∀x ∈ R+ ,
*
log 1 x = − loga x
a
Các hàm số lượng giác
Các hàm số lượng giác: sinx, cosx, tgx, cotgx đã được xét kỹ trong
chương trình phổ thông trung học. Dưới đây chúng ta chỉ nhắc lại một số
tính chất cơ bản của chúng.
Tính chất:
- sinx xác định trên R, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu kì T = 2 π và bị
chặn: − 1 ≤ sin x ≤ 1, ∀x ∈ R
- cosx xác định trên R, là hàm số chẵn, tuần hoàn với chu kì T = 2 π và
bị chặn: − 1 ≤ cos x ≤ 1, ∀x ∈ R
- tgx xác định trên R\{ π + kπ , k ∈ Z }, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu
2
kỳ T = π và nhận giá trị trên khoảng (−∞,+∞ ) .
- cotgx xác định trên R\{ kπ , k ∈ Z }, là hàm số lẻ, tuần hoàn với chu kỳ
T = π và nhận giá trị trên khoảng ( −∞,+∞ ) .
Các hàm số lượng giác ngược
- Hàm arcsin là ánh xạ ngược của sin: ⎡− π , π ⎤ → [− 1,1]
⎢ ⎥
⎣ 2 2⎦
Kí hiệu là arcsin: [− 1,1] → ⎡− π , π ⎤ .
⎢ ⎥
⎣ 2 2⎦
Vậy ta có: ∀x ∈ [− 1,1], ∀y ∈ ⎡− π , π ⎤ ,
⎢ ⎥ y = arcsin x ⇔ x = sin y
⎣ 2 2⎦
32
Chương 2: Hàm số một biến số
- Hàm arccos là ánh xạ ngược của cos : [0,π ] → [− 1,1] kí hiệu:
arccos : [− 1,1] → [0, π ]
∀x ∈ [− 1,1], ∀y ∈ [0, π ], y = arccos x ⇔ x = cos y
⎛ π π⎞
- Hàm actang là ánh xạ ngược của tg : ⎜ − , ⎟ → R , kí hiệu:
⎝ 2 2⎠
⎛ π π⎞
arctg : R → ⎜ − , ⎟
⎝ 2 2⎠
⎛ π π⎞
Vậy ta có ∀x ∈ R, ∀y ∈ ⎜ − , ⎟ y = arctgx ⇔ x = tgy
⎝ 2 2⎠
- Hàm accôtang là ánh xạ ngược của cotg : (0, π ) → R kí hiệu:
⎛ π⎞
arc cot g : R → ⎜ 0, ⎟
⎝ 2⎠
⎛ π⎞
Vậy ta có ∀x ∈ R, ∀y ∈ ⎜ 0, ⎟ y = arc cot gx ⇔ x = cot gy
⎝ 2⎠
Người ta gọi hàm số luỹ thừa, hàm số mũ, hàm số lôgarit, các hàm
số lượng giác và các hàm số lượng giác ngược là các hàm số sơ cấp cơ bản.
Các hàm hypebôlic thuận
- Hàm sinhypebôlic là ánh xạ sh : R → R xác định như sau:
1 x
∀x ∈ R, shx = (e − e − x )
2
- Hàm côsinhypebôlic là ánh xạ ch : R → R xác định như sau:
1 x
∀x ∈ R, chx = (e + e − x )
2
- Hàm tanghypebôlic là ánh xạ th : R → R xác định như sau:
shx e 2 x − 1
∀x ∈ R, thx = =
chx e 2 x + 1
- Hàm cotanghypebôlic là ánh xạ coth : R * → R , xác định như sau:
chx 1 e2 x + 1
∀x ∈ R * , coth x = = = 2x
shx thx e − 1
Tính chất:
- Shx,thx,cothx là các hàm số lẻ còn chx là chẵn và ∀x ∈ R , chx > 0
33
Chương 2: Hàm số một biến số
- ∀x , a , b , p , q ∈ R , các hàm hypebôlic thoả mãn công thức sau đây:
x2 y2
+ ch 2 x − sh 2 x = 1 ⇒ Hyperbon − = 1 biểu diễn tham số sẽ là:
a2 b2
⎧ x = acht
⎨
⎩ y = bsht t∈R
+ ch( a + b) = cha.chb + sha.shb ; sh ( a + b) = sha.chb + shb.cha
ch(a − b) = cha.chb − sha.shb ; sh (a − b) = sha.chb − shb.cha
tha + thb tha − thb
th(a + b) = ; th(a − b) =
1 + tha.thb 1 − tha.thb
+ ch 2a = ch 2 a + sh 2 a = 2ch 2 a − 1 = 1 + 2sh 2 a .
sh2a = 2sha.cha .
2tha
th 2a = .
1 + th 2 a
1 1
ch 2 a = (ch 2a + 1); sh 2 a = (ch 2a − 1) .
2 2
p+q p−q
+ chp + chq = 2ch ch
2 2
p+q p−q
chp − chq = 2sh sh
2 2
p+q p−q
shp + shq = 2sh ch
2 2
p+q p−q
shp − shq = 2ch sh
2 2
Các hàm hypebôlic ngược
1. Hàm Acsinhypebôlic là ánh xạ ngược của sh : R → R , kí hiệu:
Argsh : R → R haylà ∀( x , y ) ∈ R 2 , y = Argshx ⇔ x = shy
2. Hàm Accôsinhypebôlic là ánh xạ ngược của ch : R → [1,+∞] , kí hiệu:
Argch : [1,+∞ ) → R+ , tức là ∀x ∈ [1,+∞), ∀y ∈ R+ , y = Argchx ⇔ x = chy
3. Hàm Actanghypebôlic là ánh xạ ngược của th : R → ( −1,1), kí hiệu:
Argth : ( −1,1) → R , tức là ∀x ∈ ( −1,1), ∀y ∈ R , y = Argthx ⇔ x = thy
34
Chương 2: Hàm số một biến số
4. Hàm Accôtanghypebôlic là ánh xạ ngược của coth : R * → R \ [− 1,1], kí
hiệu: Arg coth : R \ [− 1,1] → R * , tức là
∀x ∈ R \ [− 1,1], ∀y ∈ R * , y = Arg coth x ⇔ x = coth y
Đa thức, hàm hữu tỉ.
1. Ánh xạ P: X →R được gọi là đa thức khi và chỉ khi tồn tại n ∈ N
n
và ( a0 , a1 ,..., an ) ∈ R n +1 sao cho ∀x ∈ X , P ( x ) = ∑ ai x i
i =0
Nếu an ≠ 0 , gọi n là bậc của đa thức, kí hiệu degP(x)=n
2. Ánh xạ f : X →R được gọi là hàm hữu tỉ khi và chỉ khi tồn tại hai
đa thức
P( x )
P,Q: X →R sao cho ∀x ∈ X , Q( x ) ≠ 0, f ( x) =
Q( x )
P( x )
Gọi f ( x) = là hàm hữu tỉ thực sự khi và chỉ khi:
Q( x )
degP(x)0 và khá lớn.
Cho f xác định ở lân cận điểm a (có thể không xác định tại a).
1. Nói rằng f có giới hạn là l khi x dần đến a (gọi tắt: có giới hạn là
l tại a) nếu ∀ε > 0, ∃Ωη (a) ⊂ X , ∀x ∈ Ωη (a) \ {a} ⇒ f ( x ) − l < ε
2. Nói rằng f có giới hạn là + ∞ tại a nếu
∀A > 0, ∃Ωη ( a) ⊂ X , ∀x ∈ Ωη (a) \ {a} ⇒ f ( x ) > A .
3. Nói rằng f có giới hạn là − ∞ tại a nếu −f có giới hạn là + ∞ tại a.
4. Nói rằng f có giới hạn là l tại + ∞ nếu
∀ε > 0, ∃Ω A (+∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω A (+∞) ⇒ f ( x ) − l < ε .
5. Nói rằng f có giới hạn là l tại −∞ nếu
∀ε > 0, ∃Ω B (−∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω B (−∞) ⇒ f ( x ) − l < ε .
6. Nói rằng f có giới hạn là + ∞ tại + ∞ nếu
∀A > 0, ∃Ω M (+∞) ⊂ X , ∀x ∈ Ω M (+∞) ⇒ f ( x ) > A .
7. Nói rằng f có giới hạn là −∞ tại + ∞ nếu và chỉ nếu −f có giới hạn
là + ∞ tại + ∞ .
8. Nói rằng f có giới hạn là +∞ tại −∞ nếu
∀A > 0, ∃Ω M ( −∞ ) ⊂ X , ∀x ∈ Ω M ( −∞ ) ⇒ f ( x) > A .
9. Nói rằng f có giới hạn là − ∞ tại − ∞ khi và chỉ khi − f có giới hạn
là + ∞ tại − ∞ Khi f ( x ) có giới hạn là l tại a hoặc tại ± ∞ nói rằng f ( x ) có
giới hạn hữu hạn tại a hoặc tại ± ∞ . Ngược lại f ( x ) có giới hạn là ± ∞ , nói
rằng nó có giới hạn vô hạn.
36
Chương 2: Hàm số một biến số
Định nghĩa giới hạn một phía.
1. Nói rằng f có giới hạn trái tại a là l1 nếu
∀ε > 0, ∃η > 0 (∃Ωη (a) ⊂ X ), ∀x,0 < a − x < η ⇒ f ( x ) − l1 < ε .
2. Nói rằng f có giới hạn phải tại a là l2 nếu
∀ε > 0, ∃η > 0 , ∀x, 0 < x − a < η ⇒ f ( x ) − l2 < ε .
Kí hiệu f có giới hạn là l tại a thường là:
lim f ( x ) = l
x→a
hoặc f ( x ) ⎯x → a → l
⎯ ⎯
Tương tự có các kí hiệu:
lim f ( x ) = +∞,−∞; lim = l,+∞,−∞
x→a x → ±∞
Kí hiệu f có giới hạn trái tại a là l1 , thường dùng
( )
lim f ( x ) = f a − = l1
x →a −
Tương tự ( )
lim f ( x ) = f a + = l2
x →a+
Hệ quả: Điều kiện cần và đủ để lim f ( x ) = l
x→a
là f (a − ) = f (a + ) = l.
b. Tính chất của hàm có giới hạn.
Sự liên hệ với dãy số
Định lí: Để f ( x ) có giới hạn là l tại a điều kiện cần và đủ là mọi
dãy (un ) trong X hội tụ về a thì n → ∞ f (un ) = l
lim
Tính duy nhất của giới hạn
Định lí: Nếu lim f ( x ) = l
x →a
thì l là duy nhất.
Tính bị chặn
Định lí: Nếu lim f ( x ) = l
x →a
thì f ( x ) bị chặn trong một lân cận của a.
Tính chất thứ tự của giới hạn và nguyên lí kẹp.
Định lí 1: Cho lim f ( x ) = l .
x →a
Khi đó:
1. Nếu c < l thì trong lân cận đủ bé của a : c < f (x)
2. Nếu l < d thì trong lân cận đủ bé của a : f (x) < d
37
Chương 2: Hàm số một biến số
3. Nếu c < l < d thì trong lân cận đủ bé của a : c < f ( x) < d
Định lí 2: Cho lim f ( x ) = l,
x→a
khi đó
1. Nếu c ≤ f (x) trong lân cận của a thì c ≤ l
2. Nếu f (x) ≤ d trong lân cận của a thì l ≤ d
3. Nếu c ≤ f (x) ≤ d trong lân cận của a thì c ≤ l ≤ d
Định lí 3: Nguyên lí kẹp: Cho ba hàm số f , g, h thoả mãn:
f ( x ) ≤ g ( x ) ≤ h( x ) trên X; lim f ( x ) = lim h( x ) = l Khi đó lim g ( x ) = l
x →a x →a x→a
Định lí 4: Nếu trong lân cận của a có f ( x ) ≤ g( x ) và lim f ( x ) = +∞
x→a
thì:
lim g ( x ) = +∞
x→a
Các phép tính đại số của hàm số có giới hạn
Định lí 1 (Trường hợp giới hạn hữu hạn):
1. f ( x ) ⎯x → a → l ⇒ f ( x ) ⎯x → a → l
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
2. f ( x ) ⎯x → a → 0 ⇔ f ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
3. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯x → a → l2 ⇒ f ( x ) + g ( x ) ⎯x → a → l1 + l2
⎯ ⎯ ⎯ ⎯
4. f ( x ) ⎯x → a → l ⇒ λ. f ( x ) ⎯x → a → λl,
⎯ ⎯ ⎯ ⎯ λ ∈R
5. f ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯ và g( x ) bị chặn trong lân cận của
a ⇒ f ( x ).g ( x ) ⎯x → a → 0
⎯ ⎯
6. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯⎯a → l2 ⇒ f ( x ).g ( x ) ⎯⎯a → l1.l2
⎯
x→
⎯
x→
f ( x) l
7. f ( x ) ⎯x → a → l1
⎯ ⎯ và g ( x ) ⎯x → a → l2 ≠ 0 ⇒
⎯ ⎯ ⎯x → a → 1
⎯ ⎯
g( x ) l2
Định lí 2 (Trường hợp giới hạn vô hạn):
1. Nếu f ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯ và g ( x) ≥ m trong lân cận của a thì
f ( x) + g ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯
2. Nếu f ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯ và g ( x) ≥ m > 0 trong lân cận của a thì
f ( x).g ( x) ⎯x →a → +∞
⎯ ⎯
Giới hạn của hàm hợp
Cho f : X → R, g : Y →R và f ( X ) ⊂ Y
38
Chương 2: Hàm số một biến số
Định lí: Nếu f ( x) ⎯x → a → b
⎯ ⎯ và g ( y ) ⎯⎯b → l
⎯
y→
thì g ( f ( x)) ⎯x → a → l
⎯ ⎯
Giới hạn của hàm đơn điệu
Định lí 1: Cho f : (a, b) → R, a, b ∈ R hoặc a, b ∈ R và là hàm tăng.
1. Nếu f bị chặn trên thì lim f ( x) = Sup f ( x)
x →b − ( a ,b )
2. Nếu f không bị chặn trên thì lim f ( x) = +∞
x →b −
Định lí 2: Nếu f (x) xác địn tại a và tăng ở lân cận của a thì luôn tồn tại
một giới hạn trái và một giới hạn phải hữu hạn tại a và:
lim f ( x) ≤ f (a) ≤ lim+ f ( x)
x→a − x→a
c. Các giới hạn đáng nhớ
sin x x
a. lim = lim =1
x→0 x x → 0 sin x
x x
⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
b. lim ⎜1 + ⎟ = lim ⎜1 + ⎟ = e
x → +∞
⎝ x⎠ x → −∞
⎝ x⎠
c. lim ln x = +∞, lim ln x = −∞
x →+∞ x →0 +
d. Sự tồn tại giới hạn của các hàm sơ cấp
Định lí: Hàm số sơ cấp xác định tại x0 thì xlim f ( x) = f ( x0 )
→x 0
2.2.3 Đại lượng vô cùng bé (VCB) và đại lượng vô cùng lớn (VCL)
a. Đại lượng VCB
Định nghĩa: Ánh xạ α : X → R , gọi là đại lượng VCB tại a nếu như
α ( x) ⎯x →a → 0 , a có thể là + ∞ hoặc - ∞
⎯ ⎯
Hệ quả: Để tồn tại lim f ( x) = l
x→a
điều kiện cần và đủ là hàm số
α ( x) = f ( x) − l là VCB tại a.
Tính chất đại số của VCB: Dựa vào tính chất đại số của hàm có giới
hạn, nhận được tính chất đại số của các VCB sau đây:
n n
1. Nếu α i ( x), i = 1,2,..., n là các VCB tại a thì tổng ∑α i ( x) , tích ∏α i ( x)
i =1 i =1
cũng là VCB tại a
39
Chương 2: Hàm số một biến số
2. Nếu α (x ) là VCB tại a, f (x ) bị chặn trong lân cận của a thì α ( x). f ( x)
là VCB tại a.
So sánh các VCB: Cho α ( x), β ( x ) là các VCB tại a.
1. Nếu α ⎯x →a → 0
⎯ ⎯ thì nói rằng α là VCB cấp cao hơn β tại a, kí hiệu
β
α = o( β ) tại a, cũng nói rằng β là VCB cấp thấp hơn α tại a.
α
2. Nếu ⎯⎯ → c ≠ 0 thì nói rằng α , β là các VCB ngang cấp tại a. Đặc
⎯
β x→a
biệt c = 1 thì nói rằng α , β là các VCB tương đương tại a. Khi đó kí hiệu
α ~ β tại a. Rõ ràng nếu α , β ngang cấp tại a thì α ~ cβ tại a.
3. Nếu γ = o(α k ) thì nói rằng γ là VCB có cấp cao hơn k so với VCB
α tại a
4. Nếu γ ~ cα k (c ≠ 0) thì nói rằng γ là VCB có cấp k so với VCB α
tại a
α α
Hệ quả 1: Nếu γ ~ α1 , β ~ β1 tại a thì lim = lim 1
x→a β x→a β
1
Hệ quả 2: Nếu α = o( β ) tại a thì α + β ~β tại a .
Hệ quả 3: Qui tắc ngắt bỏ VCB cấp cao: Nếu α * là VCB cấp thấp nhất
trong số các VCB αi , (i = 1, m) và β * là VCB cấp thấp nhất trong số các
VCB β i , (i = 1, n ) tại a . Khi đó:
m
∑α i
α*
lim i =1
= lim
x→a n x→a β *
∑β
j =1
j
b. Đại lượng VCL
Định nghĩa: Ánh xạ A: X → R gọi là đại lượngVCL tại a nếu như
A( x) ⎯x →a → +∞ hoặc − ∞ (a có thể là + ∞ hoặc − ∞ ).
⎯ ⎯
1
Hệ quả: Để A(x ) là VCL tại a thì cần và đủ là α ( x) = là VCB tại a.
A( x )
Tính chất của VCL
1. Nếu Ai ( x), i = 1,2,..., n là các VCL cùng dấu (+ ∞ ) hay (− ∞) tại a thì
n
tổng ∑ A ( x) là VCL mang dấu đó tại a.
i =1
i
40
Chương 2: Hàm số một biến số
n
Nếu Bi ( x), i = 1,2,..., n là các VCL tại a thì tích ∏ Bi ( x) là VCL tại a
i =1
2. Nếu A(x) là VCL tại a và f (x ) giữ nguyên dấu tại a và lân cận của
nó thì A( x). f ( x) là VCL tại a.
So sánh các VCL
Cho A( x ), B ( x ) là các VCL tại a
A( x)
1. Nếu ⎯⎯ → ∞
⎯ thì nói rằng A(x ) là VCL cấp cao hơn B (x ) tại a,
B ( x) x →a
hay B là VCL có cấp thấp hơn A tại a
A( x )
2. Nếu ⎯⎯ → c ≠ 0
⎯ thì nói rằng A, B là VCL ngang cấp tại a.
B( x) x → a
Đặc biệt c = 1 thì nói rằng A, B là các VCL tương đương tại a, kí hiệu
A ~ B tại a.
A( x) A ( x)
Hệ quả 1: Nếu A ~ A1 , B ~ B1 tại a thì lim
x → a B ( x)
= lim 1
x → a B ( x)
1
Hệ quả 2: Nếu A(x ) làVCL cấp cao hơn B (x ) tại a thì A+ B ~ A.
Hệ quả 3: Qui tắc ngắt bỏ cácVCL cấp thấp: Nếu A* là các CVL cấp
cao nhất trong số các VCL Ai ( x), i = 1,2,..., m và B* là VCL cấp cao nhất trong
số các VCL B j ( x), j = 1,2,..., n tại a thì ta có
m
∑ A ( x)
i
A* ( x)
lim i =1
= lim
x→a n x → a B* ( x)
∑ B ( x)
j =1
j
2.2.4 Sự liên tục của hàm số
a. Các khái niệm cơ bản
Hàm liên tục tại một điểm
Cho f : X →R và a ∈ X . Nói rằng f (x ) liên tục tại a nếu
lim f ( x ) = f (a ) hay lim f ( x) = f ( lim x)
x→a x→a x→a
Tức là ∀ε > 0, ∃η > 0, ∀x : x − a < η ⇒ f ( x) − f (a) < ε
41
Chương 2: Hàm số một biến số
Hàm liên tục một phía tại a
Cho f : X → R, a ∈ X . Nói rằng hàm f liên tục bên trái tại a nếu
lim− f ( x) = f (a − ) = f (a)
x→a
Hàm f liên tục bên phải tại a nếu
lim f ( x) = f (a + ) = f (a)
x→a +
Hệ quả: Để hàm f (x ) liên tục tại a điều kiện cần và đủ là:
f (a − ) = f (a + ) = f (a)
Hàm liên tục trên một khoảng
1. Hàm f (x ) liên tục tại mọi điểm x ∈ X thì nói rằng nó liên tục trên
tập X .
2. Hàm f (x) liên tục trên khoảng mở (a,b) và liên tục trái tại b,liên tục
phải tại a nói rằng nó liên tục trên [a,b]
Hàm liên tục từng khúc
Hàm f : [a, b] → R, a, b ∈ R.
Nói rằng hàm f liên tục từng khúc trên [a, b] khi và chỉ khi ∃n ∈ N * và
(a0 , a1,..., an ) ∈ [a, b]n +1 sao cho a = a0 < a1 < ... < an = b và f liên tục trên tất cả các
khoảng mở (ai , ai +1 ), i = 0,1,..., n − 1 và có giới hạn phải hữu hạn tại ai , có giới
hạn trái hữu hạn tại ai +1
Điểm gián đoạn của hàm số
1. Nếu f (x ) không liên tục tại a, nói rằng f (x ) có điểm gián đoạn tại
x =a.
2. Nếu a là điểm gián đoạn và f (a − ), f (a + ) là các số hữu hạn thì gọi
x = a là điểm gián đoạn loại 1 của hàm số và gọi h f (a) = f (a + ) − f (a − ) là bước
nhảy của f (x) tại a.
Hệ quả: Nếu f (x) tăng (giảm) ở lân cận điểm a khi đó f (x) liên tục tại a
khi và chỉ khi h f (a) = 0 . Điều này suy ra từ định lí 2 của hàm số đơn điệu.
3. Nếu a là điểm gián đoạn của f (x) và không phải là điểm gián đoạn
loại 1 thì nói rằng f (x) có điểm gián đoạn loại 2 tại x = a .
42
Chương 2: Hàm số một biến số
b. Các phép toán đại số của hàm liên tục
Định lí 1: Cho f ,g : X → R, a ∈ X ,λ ∈ R
1. Nếu f (x ) liên tục tại a thì f (x) liên tục tại a.
2. Nếu f ( x ), g ( x ) cùng liên tục tại a thì f ( x) + g ( x) liên tục tại a.
3. Nếu f (x ) liên tục tại a thì λf (x) liên tục tại a.
4. Nếu f ( x ), g ( x ) liên tục tại a thì f ( x).g ( x ) liên tục tại a.
f ( x)
5. Nếu f ( x ), g ( x ) liên tục tại a và g ( x) ≠ 0 thì liên tục tại a.
g ( x)
Định lí 2: Cho f : X → R; a ∈ X , g: Y →R và f (X ) ⊂ Y.
Nếu f (x) liên tục tại a và g ( y ) liên tục tại b = f (a ) thì hàm hợp g ( f ( x)) liên
tục tại a.
Định lý 3: Mọi hàm số sơ cấp xác định tại x = a thì liên tục tại a.
c. Tính chất của hàm số liên tục trên một đoạn
Cho f : [a, b] → R là liên tục, a < b.
Tính trù mật của hàm số liên tục
Định lí 1: Nếu f (x ) liên tục trên [a, b] và f ( a ). f (b) < 0 thì tồn tại
c ∈ (a, b ) để f (c) = 0
Định lí 2: Nếu f (x) liên tục trên [a, b] khi đó f (x ) nhận giá trị trung
gian giữa f (a ) và f (b) nghĩa là:
∀γ ∈ [ f (a), f (b)], ∃c ∈ [a, b], f (c) = γ
Tính bị chặn của hàm số liên tục
Định lí 3: Hàm số f (x) liên tục trên [a, b] thì đạt được giá trị lớn nhất
và nhỏ nhất trên [a, b] nghĩa là:
∃xm , xM ∈ [a, b ], ∀x ∈ [a, b ] có f ( xm ) ≤ f ( x) ≤ f ( xM )
Hệ quả: Nếu f : [a, b] → R liên tục thì f ([a, b]) = [m, M ] ⊂ R
Trong đó m = Inf f ( x), M = Sup f ( x )
[a , b ] [a , b ]
43
Chương 2: Hàm số một biến số
d. Tính liên tục đều
A. Định nghĩa: Cho f : X → R. Nói rằng f liên tục đều trên X nếu
∀ε > 0, ∃η > 0, ∀( x' , x") ∈ X 2 : x'− x" < η ⇒ f ( x' ) − f ( x" ) < ε
Hệ quả: Nếu f (x ) liên tục đều trên X thì liên tục trên X .
Định lí Hâyne (Heine)
Nếu f (x ) liên tục trên đoạn đóng [a, b] , a, b ∈ R thì liên tục đều trên [a, b] .
2.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Nêu các định nghĩa về hàm số chẵn, lẻ, tuần hoàn.Các hàm số tuần
hoàn và đồng thời là chẵn; lẻ có tồn tại không? Cho ví dụ.
Câu 2. Thế nào là hàm số đơn điệu trong khoảng (a,b)?
Câu 3. Thế nào là hàm số bị chặn trong khoảng (a,b)?
Câu 4. Thế nào là hàm số hợp?
Câu 5. Thế nào là hàm số sơ cấp?
Câu 6. Định nghĩa giới hạn của hàm số.
Câu 7. Nêu các tính chất của hàm có giới hạn. Hàm số bị chặn trong lân
cận điểm a thì có giới hạn tại a không?
Câu 8. Nêu các phép tính về hàm số có giới hạn hữu hạn. Trong trường
hợp hàm số không có giới hạn hữu hạn, các phép tính đó còn đúng không?
sin x 1
= 1, lim (1 + ) x = e
lim
Câu 9. Chứng minh các giới hạn x→0 x x →∞ x .
Câu 10. Thế nào là một VCB? Một hằng số bé bao nhiêu thì được coi là
VCB? Vì sao?
Câu 11. Nêu các tính chất đại số của VCB.
Câu 12. Tổng vô hạn các VBC có phải là vô cùng bé không?
Câu 13. So sánh các VCB: ngang cấp, tương đương, cấp cao hơn.
Câu 14. Thế nào là một VCL? Một hằng số lớn bao nhiêu thì có thể được
xem là VCL? Tại sao?
Câu 15. Nêu mối quan hệ giữa VCB và VCL.
44
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 16. Nêu mối quan hệ giữa VCB và hàm có giới hạn.
Câu 17. Định nghĩa hàm liên tục tại một điểm x0, (a,b), [a,b].
Câu 18. Nêu các tính chất của hàm số liên tục trên một đoạn kín. Tính chất
đó còn đúng không nếu đoạn không kín?
Câu 19. Nêu các phép toán đại số về hàm liên tục.
2.4 BÀI TẬP CHƯƠNG II
1
Câu 1. Cho hàm số f ( x) = Arccos(lgx) . Tính f ( ), f (1), f (10) .
10
Câu 2. Tìm miền xác định và miền giá trị của các hàm số:
1
a. f ( x) = 2 − x 2 , b. g ( x) = ,
x 2 +1
c. h( x) = x 2 − x , d. k ( x) = 2 − x .
Câu 3. Xét xem hàm số có chẵn hoặc lẻ không và phác hoạ đồ thị của nó.
a. f ( x) = x , b. g ( x) = x 2 − 2 x + 1 ,
1
c. h( x) = − , d. k ( x) = x + x − 2 .
4 − x2
Câu 4. Xét xem hàm số nào tuần hoàn và tìm chu kì của nó
a. f ( x) = 10 sin 3x , b. g ( x) = sin 2 x ,
c. h( x) = tgx , d. k ( x) = sin x .
Câu 5. Tìm hàm ngược của các hàm số sau:
a. y = 2 x + 3 , b. y = x 2 − 1, x < 0 ,
x
c. y = 3 1 − x 3 , c. y = lg .
2
Câu 6. Cho f ,g : R→R sao cho
∀( x, y ) ∈ R 2 , { f ( x) − f ( y )}{g ( x) − g ( y )} = 0
Chứng minh rằng có ít nhất một trong hai ánh xạ là ánh xạ hằng.
Câu 7. Tìm tất cả các ánh xạ f : R→R sao cho:
a. ∀x ∈ R, f ( x) f ( x 2 − 1) = sin x
45
Chương 2: Hàm số một biến số
b. ∀x ∈ R, xf ( x) + f (1 − x) = x3 + 1
c. ∀( x, y ) ∈ R 2 , f ( x + y 2 ) = f ( x2 ) + f ( y)
d. ∀( x, y ) ∈ R 2 , f ( x + y ) − f ( x − y ) = 2 y (3x 2 + y 2 )
1
e. ∀( x, y, z ) ∈ R 3 , f ( x. y ) + f ( x.z ) − 2 f ( x ). f ( y.z ) ≥
2
Câu 8. Giải phương trình
x18 + x10 = 544, x ∈ R+
Câu 9. Cho f : R→R sao cho
⎧ f ( f ( x)) t¨ng
⎨
⎩ f ( f ( f ( x))) gi¶m ngÆt
gi¶ m ngÆt
Chứng minh f (x ) giảm ngặt
Câu 10. Tìm các giới hạn
a. lim
(x 2
−x−2 )
20
b. lim
x + x 2 + ... + x n − n
x→2
(x 3
− 12 x + 16 )10 x →1 x −1
c. lim
x100 − 2 x + 1
d. lim
(x n
− a n ) − na n −1 ( x − a )
x →1 x50 − 2 x + 1 x→a ( x − a) 2
Câu 11. Tìm các giới hạn
x+ x+ x x +3 x +4 x
a. xlim b. xlim
→ +∞ x +1 → +∞ 2x + 1
Câu 12. Tìm các giới hạn
1 + αx − n 1 + βx
m m
1 + αx .n 1 + βx − 1
a. lim b. lim
x→0 x x →0 x
Câu 13. Tìm các giới hạn
sin x − sin a 1 + tgx − 1 + sin x
a. lim b. lim
x→a x−a x→0 x3
1 − cos x. cos 2 x. cos 3 x cos x − 3 cos x
c. lim d. lim
x→0 1 − cos x x→0 sin 2 x
Câu 14. Tìm các giới hạn
x −2
a. lim b. xlim 3 x3 + x 2 − 1 − x
x→4 x − 5x + 4
2 → +∞
46
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 15. Tìm các giới hạn
x2 x −1
⎛ 3x − x + 1 ⎞
2 1− x ⎛ x −1⎞2 x +1
a. xlim ⎜ 2 ⎟
→ +∞⎜ 2 x + x + 1 ⎟
b. lim⎜ 2 ⎟
x → ∞⎜ x + 1 ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
( )
1 1
c. lim(1 − 2 x )
x →0
x d. lim cos x
x→0
x
e. lim (sin x )tgx f. lim [sin ln( x + 1) − sin ln x ]
π x → +∞
x→
2
h. n →∞ n 2 (n x − n +1 x )
eαx − e βx
g. lim
x → 0 sin αx − sin βx
lim x>0
1
⎛ 1 + tgx ⎞ sin x
i. lim(1 + x )
2
2 cot g x
j. lim⎜
x → 0 1 + sin x
⎟
x→0
⎝ ⎠
ln (2 + e3 x )
k. lim
x→∞ ln (3 + e 2 x )
Câu 16. Tìm các giới hạn sau
1
a. lim x cos b. lim sin sin ...sin x
x →0 x n→∞ n dÊu sin
c. ⎡1⎤
lim x ⎢ ⎥ d. n →∞ Sgn[sin 2 (nπx)]
lim
x →0
⎣x⎦
Câu 17. Xét sự liên tục của các hàm số sau:
a. f ( x) = x b. f ( x) = ⎨
(
⎧ x 2 − 4 (x − 2) ) x≠2
⎩A , x = 2
⎧ n 1
⎪ x sin x ≠ 0, n ∈ N * ⎧sin πx với x hữu tỉ
c. f ( x) = ⎨ x d. f ( x) = ⎨
⎪0 x=0 ⎩0 với x vô tỉ
⎩
⎧1 với x hữu tỉ ⎧x 2
⎪ với x hữu tỉ
e. f ( x) = ⎨ f. f ( x) = ⎨
⎩x với x vô tỉ ⎪− x 2
⎩ với x vô tỉ
Câu 18. Chứng minh rằng nếu các hàm f (x ) và g (x ) liên tục thì các hàm
ϕ( x) = min{ f ( x), g ( x)}
ψ ( x) = max{ f ( x), g ( x)}
cũng là hàm liên tục
47
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 19. Xét tính liên tục của hàm hợp f ( g ( x)) và g ( f ( x)) nếu
a. f ( x) = Sgnx và g ( x) = 1 + x 2
b. f ( x) = Sgnx và g ( x) = 1 + x − [x]
Câu 20. Tìm tất cả các hàm f (x ) thoả mãn:
a. liên tục tại x = 0 và ∀x ∈ R có f (3 x) = f ( x )
⎛ x ⎞
b. liên tục tại x = 0 và ∀x ∈ R có f ( x) = f ⎜ 2 ⎟
⎝1+ x ⎠
c. liên tục tại x = 1 và ∀x ∈ R có f ( x) = − f ( x 2 )
liên tục trên [0,1] và chỉ nhận giá trị hữu tỉ và f ⎛ ⎞ = .
1 1
Câu 21. Hàm f (x ) ⎜ ⎟
⎝2⎠ 2
⎛ 2⎞
Hãy tính f⎜ ⎟
⎜ 2 ⎟
⎝ ⎠
Câu 22. Cho f (x) và g (x ) là hai hàm số liên tục trên [a, b] và f ( x) = g ( x) tại
mọi x là hữu tỉ. Chứng minh f ( x) = g ( x) trên [a, b]
Câu 23. Chứng minh rằng mỗi phương trình đại số bậc lẻ có ít nhất một
nghiệm thực
1
Câu 24. *Chứng minh hàm số f ( x) = liên tục trên (0,1) nhưng không liên
x
tục đều trên (0,1)
Câu 25. *Chứng minh rằng hàm số
π
f ( x) = sin
x
liên tục và bị chặn trên (0,1) nhưng không liên tục đều trên (0,1)
Câu 26. *Chứng minh hàm số f ( x) = Sinx 2 liên tục và bị chặn trên R nhưng
không liên tục đều trên R
Câu 27. *Chứng minh rằng nếu f (x) liên tục trên [a,+∞ ) và tồn tại giới hạn
hữu hạn lim f ( x) = c thì
x → +∞
a. f (x ) bị chặn trên [a, ∞ ) .
b. f (x ) liên tục đều trên [a,+∞ )
48
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 28. *Chứng minh rằng hàm số
sin x
f ( x) =
x
a. liên tục đều trên mỗi khoảng (−1,0), (0,1)
b. không liên tục đều trên (−1,1) \ {0}
Câu 29. *Chứng minh rằng nếu hàm f (x ) đơn điệu bị chặn và liên tục trên
(a, b) thì liên tục đều trên (a, b)
Câu 30. *Cho f (x ) là hàm số tăng và liên tục trên [a, b] ,thoả mãn điều kiện
f ( a ) ≥ a , f (b ) ≤ b . Lấy x1 ∈ [a, b] và xác định dãy số ( xn ) với
xn +1 = f ( xn ), n ≥ 1
Chứng minh rằng tồn tại n →∞ xn = x* và f ( x* ) = x*
lim
Câu 31. *Cho f , g là các ánh xạ liên tục của [0,1] lên chính [0,1] . Chứng minh
rằng tồn tại x0 ∈ [0,1] để có g ( f ( x0 )) = f ( g ( x0 ))
Câu 32. *Tồn tại hay không hàm liên tục f : R→R thỏa mãn
⎧vx ∈ R \ Q víi x ∈ Q
f ( x) = ⎨
⎩hx ∈ Q víi x ∈ R \ Q
Câu 33. *Cho λ ∈ R và f , g : ( a, b) → R
Chứng minh rằng:
a. Nếu f liên tục đều thì f liên tục đều.
b. Nếu f ,g liên tục đều thì λf + g liên tục đều.
1
c. Nếu f liên tục đều và ∃c > 0 sao cho f ( x) ≥ c, ∀x ∈ (a, b) thì liên tục
f
đều.
d. Nếu f ,g liên tục đều và tồn tại hàm hợp g 0 f thì g 0 f liên tục đều.
2.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG II
π
Câu 1. 1. π ; ;0
2
Câu 2. 2. a. R. b. R , c. (− ∞;0] ∪ [1;+∞ ) , d. (− ∞;2]
49
Chương 2: Hàm số một biến số
Câu 3. a. Hàm chẵn, b. Hàm không chẵn, không lẻ, c. Hàm chẵn, d. Hàm
không chẵn, không lẻ.
2π
Câu 4. a. Tuần hoàn, T = , b. Tuần hoàn, T = π ,
3
c. Tuần hoàn, T = π , d. Không tuần hoàn.
1
Câu 5. a. y = ( x − 3), b. y = − x + 1 , c. y = 3 1 − x 3 , d. y = 2.10 x .
2
Câu 6. Giả sử tồn tại (a, b ) ∈ R 2 sao cho f ( a ) ≠ f (b ) rõ ràng
g ( a ) = g (b ) ⇒ g ( x ) = g ( a ) ∀ x ∈ R .
Câu 7. a. φ ,
b. f ( x) = x 2 − x + 1 ,
c. f ( x) = 0 , (thay liên tiếp x = 0, y=0
x = 0, y=y
x = − y2 , y = y )
d. f ( x) = x3 + c. c = const
(Qui về ∀( X , Y ) ∈ R 2 , f ( X ) − f (Y ) = X 3 − Y 3
1
e. § S : f ( x) = ,
2
1
Cho x = y = z = 1 ⇒ f (1) =
2
1
x = y = 0, z = 1 ⇒ f (0) =
2
1
x = 0, z = 0 ⇒ f ( y ) ≤
2
1
y = z = 1 ⇒ f ( x) ≥ .
2
Câu 8. x = 2 .
10
⎛3⎞ n(n + 1) 1 n(n − 1) n − 2
Câu 10. a. ⎜ ⎟ ; b. ; c. 2 ; d. a
⎝2⎠ 2 24 2
2
Câu 11. a. 1; b.
2
50
Chương 2: Hàm số một biến số
α β α β
− +
Câu 12. a. m n ; b. m n .
1 1
−
Câu 13. a. cos a ; b. 4 ; c. 14 ; d. 12
1 1
Câu 14. a. 12 ; b. 3
1
−
Câu 15. a. 0 ; b.1 ; c. e −2 ; d. e 2
e. 1 ; f. 0 ; g. 1 ; h. ln x
3
i. e ; j. 1 ; k.
2
Câu 16. a. 0 ; b. 0 ;
c. 1 nếu x vô tỉ. 0 nếu x hữu tỉ và thuộc Z, không có giới hạn với x còn lại.
Câu 17. a. liên tục trên R ;
b. liên tục trên R với A=4, liên tục trên R\ {2} với A ≠ 4;
c. liên tục trên R ; d. liên tục trên Z;
e. liên tục tại x=1 ; f. liên tục tại x =0.
Câu 19. a. f ( g ( x )) = 1 liên tục trên R
⎧2 x≠0
g ( f ( x)) = ⎨ liên tục trên R\ {0}
⎩1 x=0
b. f ( g ( x )) = 1 liên tục trên R
g ( f ( x )) = 1 liên tục trên R
Chú ý: x = [x] + r , 0 ≤ r < 1
⎛ x ⎞
Câu 20. a. f ( x) = f ⎜ ⎟ ∀n ∈ N (Bằng qui nạp)
⎝ 3n ⎠
f ( x) = c = const ∀x ∈ R
51
Chương 2: Hàm số một biến số
b. f (c ) = c = const ∀x ∈ R
Chứng minh
f ( x) = f (ϕ n ( x))
x
ϕ n ( x) = ϕ (ϕ n −1 ) trong đó ϕ1 ( x) =
1 + x2
c. f ( x) = 0 . ∀x ∈ R
xét x = 0 f (0) = − f (02 ) ⇒ f (0) = 0
⎛ 21n ⎞
xét x>0 f ( x ) = (−1) f ⎜ x ⎟ ⇒ f ( x) = 0
n
⎜ ⎟
⎝ ⎠
Do f (x ) chẵn suy ra f ( x) = 0 ∀x ∈ R .
⎛ 2⎞ 1
Câu 21. f⎜ ⎟
⎜ 2 ⎟= 2
⎝ ⎠
Câu 32. φ .
52
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
CHƯƠNG III: PHÉP TÍNH VI PHÂN HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ
3.1 MỤC ĐÍCH
Phép tính vi phân của hàm một biến số gắn liền với phép tính đạo hàm của
hàm số. Khái niệm đạo hàm là một trong những tư tưởng quan trọng nhất của
giải tích. Trong chương 2, chúng ta đã đặt vấn đề xem xét hàm số, nhưng vấn
đề cốt lõi của hàm số là tốc độ biến thiên của nó chưa được xét đến. Nhờ vào
khái niệm đạo hàm người ta có thể khảo sát toàn diện một đại lượng biến thiên.
Khái niệm đạo hàm gắn liền với các đại lượng vật lý: vận tốc tại thời điểm t của
một vật chuyển động, nhiệt dung của vật thể ở nhiệt độ to, cường độ dòng
điện,v.v...; gắn liền với các hiện tượng hoá học: tốc độ phản ứng hoá học ở thời
điểm t; gắn liền với các bài toán kinh tế xã hội: vấn đề tăng trưởng kinh tế,
phương án tối ưu trong giao thông, trong sản xuất kinh doanh, v.v....
Trong mục thứ nhất của chương này cần phải nắm vững định nghĩa hàm số
khả vi thể hiện qua việc tính đạo hàm của hàm số. Thực chất tính đạo hàm
0
chính là việc khử dạng bất định . Phải nắm chắc quy trình tính đạo hàm theo
0
định nghĩa. Lưu ý đến khái niệm đạo hàm một phía, các điều kiện cần, điều kiện
cần và đủ để hàm khả vi. Bên cạnh đó cần nắm được ý nghĩa hình học, cơ học
của đạo hàm, các phép tính đại số của hàm có đạo hàm, điều này cũng đã đề cập
ở chương trình phổ thông trung học. Cần phải nắm vững ý nghĩa và công dụng
phép tính đạo hàm của hàm hợp, hàm ngược, phép tính đạo hàm lôgarit. Nếu
thuộc các phép tính trên và các công thức đạo hàm của các hàm thông dụng thì
mọi bài toán tính đạo hàm đều có thể làm nhanh và không nhầm lẫn.
Trong mục thứ hai vi phân của hàm số là biểu hiện định lượng của hàm số
khả vi, cụ thể là phần chính bậc nhất của số gia hàm số. Chính vì thế người ta
đã định nghĩa tính khả vi nhờ vào sự tồn tại đạo hàm. Điều này khác hẳn so với
hàm số nhiều biến số được xem xét sau này. Đặc biệt công thức gần đúng của
số gia hàm số hay được áp dụng vào các bài toán thực tiễn.
Trong mục thứ ba cần nắm vững các phép tính về đạo hàm và vi phân cấp
cao, đặc biệt công thức đạo hàm cấp cao của một tích (công thức Leibniz). Phải
thuộc công thức tính các đạo hàm cấp cao của các hàm sơ cấp cơ bản:
1
e x , sin x, cos x , bởi vì sau này thường xuyên dùng đến các kết quả đó.
ax + b
53
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Trong mục thứ tư trước hết cần hiểu kỹ về điều kiện cần của cực trị khi
hàm số khả vi. Các định lý về giá trị trung bình được hiểu theo nghĩa sau đây :
với những điều kiện nhất định của hàm số f(x) thì trong khoảng hở (a,b) tồn tại
điểm ξ nào đó, kéo theo giá trị f ' (ξ ) , giá trị này có tính chất đặc biệt gọi chung
là giá trị trung bình. Đặc điểm của các định lý này là không chỉ rõ được số
lượng điểm ξ , cũng như giá trị cụ thể của nó. Khi học các định lý này nên đưa ra
các phản ví dụ để thấy rằng chỉ cần thiếu một trong các giả thiết của định lý là
kết luận không còn đúng nữa. Mỗi định lý đều có thể minh hoạ hình học để
kiểm tra lại kiến thức về tính chất của hàm số: hàm số liên tục, hàm số khả vi.
Phân biệt công thức số gia hữu hạn và công thức số gia của hàm số biểu diễn
nhờ vào vi phân của hàm số.
Trong mục thứ năm những ứng dụng trực tiếp các định lý về giá trị trung
bình và đạo hàm cấp cao được đưa ra. Trước hết cần phân biệt các khái niệm: đa
thức Taylor, công thức Taylor của hàm số tại lân cận x0 . Phải nhớ và biết cách
vận dụng công thức Maclaurin của các hàm thông dụng khi giải các bài toán tính
gần đúng. Cuối cùng công thức L’Hospital cho ta điều kiện đủ để khử các dạng
0 ∞
bất định hoặc , và đương nhiên các dạng bất định khác 0 0 ,1∞ , ∞ 0 sau khi
0 ∞
dùng phương pháp lôgarit. Chính vì thế quy tắc này không phải là vạn năng.
Trong mục thứ sáu những ứng dụng của hàm số khả vi, đặc biệt hàm khả vi
bậc cao được trình bày. Lưu ý rằng bản thân tính đơn điệu hay cực trị của hàm
số được mô tả không bắt buộc hàm số phải khả vi. Điều này học sinh thường
hay nhầm lẫn. Tuy nhiên nhận biết các tính chất của hàm số sẽ đơn giản rất
nhiều khi biết rằng hàm số khả vi.
Trong mục thứ bảy người học phải phân biệt được khái niệm cực đại, cực
tiểu với khái niệm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất của hàm số. Cần nhớ là hàm
số không bị chặn dưới (chặn trên) thì không có giá trị bé nhất (lớn nhất). Ngoài
ra hàm bị chặn thì chưa chắc có được giá trị bé nhất và lớn nhất. Chính vì thế
tính liên tục trên một đoạn kín [a,b] là điều quan trọng. Nắm được các bước để
tìm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất, các giá trị đó thường đạt được ở biên.
Trường hợp tập xác định không phải đoạn kín phải để ý đến giá trị của nó ở sát
biên mới giải quyết được bài toán. Cần ý thức được rằng bài toán tìm giá trị bé
nhất, giá trị lớn nhất có một vai trò rất lớn trong thực tế.
Trong mục thứ tám khái niệm hàm lồi, lõm được đưa ra một cách chính
xác nhờ vào bất đẳng thức toán học liên quan đến giá trị hàm số. Tuy nhiên khi
54
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
hàm khả vi, thì điều kiện nhận biết đơn giản hơn nhiều. Đặc biệt hàm khả vi
đến cấp hai thì chỉ để ý đến tính đổi dấu của đạo hàm cấp hai mà thôi. Người
học chú ý đến điều kiện đủ để tìm điểm uốn khi hàm khả vi đến cấp hai.
Trong mục thứ chín cho chúng ta cách tìm tiệm cận của đường cong. Nên
nhớ rằng không thể có cùng tiệm cận ngang và tiệm cận xiên ở cùng một phía.
Để nhận biết tiệm cận đứng phải đi tìm các cực điểm của hàm số. Để học tốt
∞
phần này phải nắm chắc cách khử các dạng bất định ,∞ − ∞ .
∞
Trong mục cuối cùng người học phải nắm vững sơ đồ tổng quát để khảo
sát và vẽ đồ thị hàm số. Đây là dịp vận dụng và tự kiểm tra các kiến thức đã học
ở phần trên.
3.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
3.2.1 Đạo hàm
a. Đạo hàm tại một điểm
Định nghĩa đạo hàm tại một điểm
Cho a ∈ X ,a + h ∈ X , f ∈ RX . Nói rằng f khả vi tại a nếu tồn tại giới hạn
f (a + h) − f (a )
lim
hữu hạn h→0 h
df
(a )
Giới hạn này thường kí hiệu f ' ( a ) hay dx gọi là đạo hàm của f tại
a.
f ( a + h ) − f ( a ) Δf ( a )
=
Tỉ số h Δx gọi là tỉ số của các số gia hàm số và số gia
đối số.
Định nghĩa đạo hàm một phía
1. Cho a ∈ X , a + h ∈ X . Nói rằng f khả vi phải tại a nếu tồn tại giới
f ( a + h) − f ( a )
lim
hạn hữu hạn h→0+ h
f p ' (a) f
Giới hạn này kí hiệu là , gọi là đạo hàm phải của tại a.
2. Cho a ∈ X ,a + h ∈ X . Nói rằng f khả vi trái tại a nếu tồn tại giới
f ( a + h) − f ( a )
lim
hạn hữu hạn h→0− h
55
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
f t ' (a) f
Giới hạn này kí hiệu là , gọi là đạo hàm trái của tại a.
b. Các phép tính đại số của các hàm khả vi tại một điểm
Định lí 1: Cho f và g khả vi tại a khi đó
1. f +g khả vi tại a và ( f + g )' ( a ) = f ' (a ) + g ' ( a )
2. ∀λ ∈ R , λ f khả vi tại a và (λf )' (a) = λ. f ' (a)
3. f .g khả vi tại a và ( f .g )' (a ) = f ' (a ).g ( a ) + f (a ).g ' (a )
'
f ⎛f ⎞ f ' (a ).g (a ) − f (a ).g ' (a )
⎜ ⎟ (a) =
⎜g⎟
g (a) ≠ 0 g ⎝ ⎠ g 2 (a)
4. Nếu thì khả vi tại a và
Định lí 2: (Đạo hàm của hàm hợp). Cho a ∈ X , f : X → R, g : Y → R với
f ( X ) ⊂ Y . Nếu f khả vi tại a và g khả vi tại f (a ) thì hàm hợp gof khả vi
tại a và ( gof )' (a) = g ' ( f (a)). f ' (a).
Định lí 3: (Đạo hàm của hàm ngược). Giả sử f : X → R đơn điệu ngặt
và liên tục trên X khả vi tại a ∈ X và f ' (a) ≠ 0 . Khi đó hàm ngược của
−1
( f ) ( f (a) ) =
−1 ' 1
f là f : f (X ) → R khả vi tại f (a ) và f ' (a)
c. Đạo hàm trên một khoảng (ánh xạ đạo hàm)
Định nghĩa: Cho f ∈ RX khả vi tại mỗi điểm x ∈ (a, b) ⊆ R
Kí hiệu ánh xạ f ': ( a , b ) → R
x a f ' ( x)
là ánh xạ đạo hàm hay đạo hàm của f (x ) trên (a,b) thường kí hiệu
df
( x ), ∀x ∈ ( a, b)
f ' ( x) hay dx . Cũng nói rằng f (x ) khả vi trên ( a, b) ⊆ X
Các tính chất
Định lí 1: Cho f ,g : X → R khả vi trên X , (tức là ( a, b) = X ) khi đó.
1. f +g khả vi trên X và ( f + g )' = f '+ g '
2. ∀λ ∈ R , λ f khả vi trên X và (λf )' = λf '
3. f .g khả vi trên X và ( f .g )' = f ' g + fg '
56
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
'
f ⎛f ⎞ f ' g − fg '
⎜ ⎟ =
⎜g⎟
g ( x) ≠ 0 g ⎝ ⎠ g2
4. trên X thì khả vi trên X và
Định lí 2: Cho f ∈ R và g ∈ RY .
X
Nếu f khả vi trên X và g khả vi trên
f ( X ) thì gof khả vi trên X và ( gof )' = ( g ' of ) f '
Định lí 3: Cho f ∈ RX đơn điệu ngặt trên X , khả vi trên X và
1
−1
( f −1 )' =
f ' ( x) ≠ 0 trên X khi đó f khả vi trên f (X ) và f'
3.2.2 Vi phân của hàm số
a. Định nghĩa vi phân tại một điểm
Cho f ∈ R , f khả vi tại a ∈ X . Vi phân của f tại a kí hiệu
X
df (a ) xác
định bởi công thức df (a ) = f ' ( a ).h với h ∈ R
Vậy df (a ) là một hàm tuyến tính của h
Xét hàm số f ( x) = x trên R , f ' ( x) = 1, ∀x ∈ R vậy dx = 1.h
Từ đó cũng thường kí hiệu df ( a ) = f ' ( a ).dx
Định lí : Nếu f , g ∈ RX và khả vi tại a ∈ X thì
1. d ( f + g )(a ) = df ( a ) + dg ( a )
2. d (λf )( a ) = λdf ( a ) với λ ∈ R
3. d ( f .g )(a ) = f ( a ) dg ( a ) + g (a )df ( a )
⎛f⎞ 1
d ⎜ ⎟(a) = 2 ( g (a)df (a) − f (a)dg (a) )
⎜g⎟
⎝ ⎠ g (a ) g (a) ≠ 0
4. khi
b. Vi phân trên một khoảng
Cho f ∈ R khả vi trên (a, b) ⊆ X . Vi phân của hàm số trên
X
( a, b) được
xác định theo công thức df ( x) = f ' ( x).h với x ∈ (a, b) .
Tương tự như định lí trên, ta nhận được định lí sau đây.
Định lí: Nếu f ,g khả vi trên ( a, b) thì trên khoảng đó cũng thoả mãn
các hê thức sau.
1. d ( f + g )( x ) = df ( x) + dg ( x )
2. d (λf )( x ) = λdf ( x )
57
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3. d ( f .g )( x ) = f ( x ) dg ( x ) + g ( x ) df ( x )
⎛f⎞ 1
d ⎜ ⎟( x) = 2 ( g ( x)df ( x) − f ( x)dg ( x) )
⎜g⎟
⎝ ⎠ g ( x) g ( x) ≠ 0
4. khi
3.2.3 Đạo hàm và vi phân cấp cao
a. Đạo hàm cấp cao
Định nghĩa
1. Cho f khả vi trên X , nếu f ' ( x) khả vi tại a ∈ X thì nói rằng f có
đạo hàm cấp 2 tại a và kí hiệu đạo hàm đó là f " ( a ) . Tương tự đạo hàm
cấp n của f (x ) tại a, kí hiệu là f ( n ) (a ) chính là đạo hàm của hàm
( n −1)
f ( x) tại a.
2. Nói rằng f (x ) khả vi đến cấp n (hay n lần) trên X khi và chỉ khi
tồn tại f ( n ) ( x) trên X , n ∈ N* trong đó f ( n ) ( x) là đạo hàm của f ( n−1) ( x)
3. Nói rằng f (x ) khả vi vô hạn lần trên X khi và chỉ khi f (x ) khả vi
n lần trên X , ∀n ∈ N . Sau đây thường kí hiệu f (0)
( x) = f ( x)
Định lí
Cho λ ∈ R, n ∈ N , f , g ∈ RX
*
khả vi n lần trên X , khi đó trên X có các hệ
thức sau đây :
1. ( f + g)
(n)
= f (n) + g (n)
2. (λf ) = λf
(n) (n)
n
( fg )( n ) = ∑ Cnk f ( k ) g ( n − k )
3. k =0 gọi là công thức Leibnitz
f
4. g ( x) ≠ 0 trên X thì g khả vi n lần trên X
b. Vi phân cấp cao
Định nghĩa
1. Nếu f khả vi đến cấp n tại a ∈ X thì biểu thức f ( n ) (a ).h n gọi là vi
phân cấp n tại a kí hiệu là
n
d f (a ) . Vậy là d f (a) = f
n (n)
(a )h n hay
d f (a ) = f
n (n)
(a)dx n
58
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
2. Nếu f khả vi đến cấp n trên X thì vi phân cấp n của f trên
X được kí hiệu là d f ( x), x ∈ X
n
và xác định theo công thức sau
∀x ∈ X , d n f ( x) = f ( n ) ( x )h n = f ( n ) ( x )dx n
Định lí: Nếu f ,g khả vi đến cấp n trên X thì khi đó
1. d n ( f + g) = d n f + d ng
2. Với λ ∈ R, d n ( λf ) = λd n f
n
d n ( f .g ) = ∑ Cn d k f .d n − k g
k
3. k =0
f
4. Nếu g ( x) ≠ 0 thì g có vi phân đến cấp n.
c. Lớp của một hàm
Định nghĩa
1. Cho n ∈ N , Ta nói f thuộc lớp Cn (kí hiệu f ∈ Cn ) trên X nếu
(n)
f khả vi n lần trên X và f liên tục trên X .
2. Nói rằng f ∈ C∞ trên X nếu f khả vi vô hạn lần trên X .
3. Nói rằng f ∈ C0 trên X nếu f liên tục trên X .
Định lí
Định lí 1: Nếu f , g ∈ Cn trên X thì
1. ( f + g) ∈ Cn trên X
2. λf ∈ Cn trên X ,λ ∈ R
3. fg ∈ C n trên X
f
∈ Cn
4. g trên X khi g ( x) ≠ 0 ∀x ∈ X
Định lí 2: Cho f ∈ RX và g ∈ RY , f (X ) ⊂ Y . Nếu f và g thuộc lớp
Cn thì gof ∈ C n trên X
59
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3.2.4 Các định lý về giá trị trung bình
a. Định lí Phéc ma (Fermat)
Điểm cực trị của hàm số
Cho f ∈ RX . Gọi hàm số đạt cực trị địa phương tại a ∈ X khi và chỉ khi
tồn tại Ω δ (a) ⊂ X, để ∀x ∈ Ω δ (a ) thoả mãn f ( x) − f (a ) ≥ 0 hoặc f ( x) − f (a ) ≤ 0
Trường hợp thứ nhất xảy ra nói rằng f đạt cực tiểu địa phương tại a,
trường hợp sau nói rằng f đạt cực đại địa phương tại a.
Nếu chỉ có f ( x) − f (a ) > 0 hoặc f ( x) − f (a ) < 0 nói rằng hàm số đạt cực
trị địa phương ngặt tại a.
Định lí Fermat
Định lí: Nếu f (x ) khả vi tại a và đạt cực trị địa phương tại a thì
f ' (a) = 0
b. Định lí Rôn (Rolle)
Định lí: Cho f ∈ R [a , b ] thoả mãn.
1. f liên tục trên [a,b]
2. f khả vi trên (a,b)
f ( a ) = f (b ) khi đó tồn tại c ∈ ( a, b) sao cho f ' (c ) = 0
c. Định lí số gia hữu hạn. (định lí Lagơrăng (Lagrange))
Định lí: Cho f ∈ R [a , b ] thoả mãn:
1. Liên tục trên [a,b]
2. Khả vi trên (a,b), khi đó tồn tại c ∈ ( a, b) sao cho
f ( b ) − f ( a ) = (b − a ) f ' ( c )
d. Định lí số gia hữu hạn suy rộng (Định lí Côsi(Cauchy))
Định lí: Cho f , g ∈ R [a , b ] thoả mãn:
1. f ,g liên tục trên [a,b]
2. f ,g khả vi trên (a,b)
3. g ' ( x ) ≠ 0 ∀x ∈ ( a , b ) .
60
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
f (b) − f (a ) f ' (c )
=
Khi đó tồn tại c ∈ ( a, b ) sao cho g (b) − g (a ) g ' (c)
3.2.5 Ứng dụng các định lý về giá trị trung bình
a Công thức Taylo(Taylor), công thức Maclôranh(McLaurin)
Định nghĩa
1. Cho hàm f khả vi đến cấp (n+1) tại a ∈ X tức là f ∈ Cn tại lân cận
của a và có đạo hàm cấp n+1 tại a. Gọi đa thức Pn (x) với deg Pn ( x) ≤ n thoả
mãn điều kiện
Pn( k ) (a) = f ( k ) (a) k = 0, n
là đa thức Taylor của f ( x) tại lân cận điểm a, hay là phần chính qui
của khai triển hữu hạn bậc n tại a của f ( x)
2. Nếu a = 0 thì Pn (x) gọi là đa thức McLaurin của f (x )
Định lí
Pn (x) f ( x)
Nếu là đa thức Taylor của tại lân cận của a thì nó là duy
f ' (a) f ( n ) (a )
Pn ( x) = f (a) + ( x − a) + ... + ( x − a) n
nhất và có dạng 1! n!
Công thức Taylor
Pn (x) f (x )
Cho là đa thức Taylor của tại lân cận của a
rn ( x) = f ( x) − Pn ( x) f ( x)
1. Gọi là phần dư Taylor bậc n tại a của
2. Gọi công thức
n
f ( k ) (a ) f ( n +1) (a + θ ( x − a))
f ( x) = ∑ ( x − a)k + ( x − a) n +1
k =0 k! (n + 1)! là công thức Taylor
bậc n , hay khai triển hữu hạn bậc n hàm f ( x) tại lân cận của a
n
f ( k ) (0) k f ( n +1) (θx) n +1
f ( x) = ∑ x + x
3. Gọi công thức k =0 k! (n + 1)! là công thức
McLaurin bậc n, hay khai triển hữu hạn bậc n của f ( x) tại lân cận của 0.
Công thức McLaurin của các hàm thường dùng
1. f ( x) = e x , ∀x ∈ R .
61
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Ta thấy f ∈ C∞ trên R và f ( k ) (0) = 1 ∀k ∈ N
n
xk
ex = ∑ + 0( x n )
Suy ra k = 0 k!
2. f ( x ) = sin x, ∀x ∈ R, f ∈ C∞
⎛ π⎞ kπ ⎧0 , k = 2m
f ( k ) ( x) = sin⎜ x + k ⎟ ⇒ f ( k ) (0) = sin =⎨
⎝ 2⎠ 2 ⎩(−1) m , k = 2m + 1
n
x 2 m +1
sin x = ∑ (−1)m
m=0 (2m + 1)!
+ 0( x 2 n + 2 )
n
x2m
cos x = ∑ (−1)m (2m)!
+ 0( x 2 n +1 )
Tương tự m =0
.
3. f ( x) = (1 + x)α , α ∈ R, x ∈ X , X phụ thuộc α . Với x ở lân cận của 0
thì f ∈ C∞
f ( k ) ( x) = α (α − 1)...(α − k + 1)(1 + x)α − k
f ( k ) (0) = α (α − 1)...(α − k + 1)
n
α (α − 1)...(α − k + 1)
(1 + x)α = 1 + ∑ x k + 0( x n )
Suy ra k =1 k! .
4. f ( x ) = ln(1 + x) , ở lân cận 0 thì f ∈ C∞
n!
f ( n +1) ( x) = (−1) n ⇒ f ( n +1) (0) = (−1) n .n!
( x + 1) n +1
x2 xn
ln(1 + x) = x − + ... + (−1) n −1 + 0( x n )
2 n
5. f ( x ) = arctgx , ∀x ∈ R
⎧0 nÕu k = 2m
f ∈ C ∞ , f ( k ) (0) = ⎨ m −1
⎩(−1) (2m − 2)!, nÕu k = 2m + 1
x3 x5 (−1) m −1 2 m −1
arctgx = x − + + ... + x + 0( x 2 m )
Vậy 3 5 2m − 1
6. f ( x) = tgx, f ∈ C∞ ở lân cận của 0.
62
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Ta biểu diễn
x3 x5
x−
+ 3
sin x 3! 5! = x + x + 0( x 3 )
tgx = =
cos x x2 x4 3
1− +
2! 4!
b. Qui tắc Lôpitan (L’Hospital)
Cho a ∈ X , f , g ∈ RX thoả mãn các điều kiện sau:
1. liên tục tại a và khả vi ở lân cận Ω δ (a ) \ {a}
g ' ( x) ≠ 0 ∀x ∈ Ω δ (a ) \ {a}
2.
f ' ( x)
lim =l
3.
x→a g ' ( x)
f ( x) − f (a)
lim =l
Khi đó
x→a g ( x) − g (a) .
3.2.6 Sự biến thiên của hàm số
a. Tính đơn điệu của hàm khả vi
Định lí 1: Cho f ∈ R [a , b ] thỏa mãn:
1. f liên tục trên đoạn [a,b]
2. f khả vi trên khoảng (a,b)
3. f ' ( x) = 0, ∀x ∈ ( a, b) khi đó f(x) không đổi trên [a,b]
Định lí 2: Cho f liên tục trên [a,b], khả vi trên (a,b). Để f tăng trên
[a,b] thì cần và đủ là f ' ( x) ≥ 0, ∀x ∈ (a, b)
Định lí 3: Cho f liên tục trên [a,b], khả vi trên (a,b). Để f tăng ngặt
trên [a,b], điều kiện cần và đủ là
a. f ' ( x) ≥ 0, ∀x ∈ ( a, b)
b. Tập {x ∈ (a, b), f ' ( x) = 0} không chứa bất kỳ một khoảng có phần
trong không rỗng nào.
b. Điều kiện hàm số đạt cực trị
Định lí 1: Cho f ∈ R . Nếu tồn tại lân cận Ω δ (a ) ⊂ X và f ' ( x) ≥ 0
X
trên
( a − δ , a ) và f ' ( x ) ≤ 0 trên ( a + δ , a ) thì f có một cực đại tại a.
63
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
Định lí 2: Cho f ∈Cn tại lân cận Ω δ (a ) và thỏa mãn điều kiện:
f ' (a ) = ... = f ( n −1) (a ) = 0, f ( n ) (a ) ≠ 0
Khi đó:
a. Nếu n chẵn thì f(x) đạt cực trị tại a: đạt cực tiểu nếu
f (n)
(a) > 0 , đạt cực đại nếu f ( n ) (a) < 0 .
b. Nếu n lẻ thì f(x) không đạt cực trị tại a.
3.2.7 Bài toán tìm giá trị lớn nhất, giá trị bé nhất
Bài toán: Cho hàm số f (x) xác định trên tập X . Tìm giá trị bé nhất
(GTBN) , giá trị lớn nhất (GTLN) của hàm số trên tập đó.
Nói rằng hàm f (x) đạt GTBN là m tại x1 ∈ X khi và chỉ khi :
m = f ( x1 ) ≤ f ( x), ∀x ∈ X
Nói rằng hàm f ( x) đạt GTLN là M tại x 2 ∈ X khi và chỉ khi:
M = f ( x 2 ) ≥ f ( x), ∀x ∈ X
a. Hàm liên tục trên đoạn kín [a,b]
Theo tính chất liên tục của hàm số trên một đoạn kín bao giờ cũng tồn
tại m,M. Theo định lý Fermat nếu hàm khả vi tại x0 và đạt cực trị tại đó thì
f’(x0)=0. Vì cực trị có tính địa phương nên các điểm tại đó hàm đạt GTBN,
GTLN chỉ có thể là hoặc các điểm tại đó hàm số không khả vi hoặc các
điểm làm đạo hàm triệt tiêu hoặc các điểm a,b. Từ đó các quy tắc tìm m, M
tương ứng x1, x2 như sau:
Tìm các giá trị f(a), f(b).
Tìm các giá trị của hàm số tại các điểm hàm số không khả vi.
Tìm giá trị của hàm số tại các điểm làm triệt tiêu đạo hàm f’(x).
So sánh các giá trị tìm được ở trên để tìm ra giá trị bé nhất, đó là
m, tìm ra giá trị lớn nhất, đó là M.
b. Hàm liên tục trên khoảng mở, khoảng vô hạn
Trong trường hợp này, thay vì tính f(a), f(b), ta tìm giới hạn của hàm số
khi x dần tới a, dần đến b, hoặc dần đến ∞ . Tuy nhiên phải xem xét hàm số có
đạt được giới hạn này không. Các bước tiếp theo thực hiệm như mục trên.
64
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
3.2.8 Hàm lồi
a. Khái niệm về hàm lồi, hàm lõm và điểm uốn
Định nghĩa
1. Ánh xạ f :X →R được gọi là lồi nếu
∀x1 , x 2 ∈ X , ∀λ ∈ [0,1], f (λx1 + (1 − λ ) x2 ) ≤ λf ( x1 ) + (1 − λ ) f ( x2 )
Nói rằng f là lõm khi và chỉ khi –f là lồi.
2. Cho f ∈ R . Giả sử X = [a, b] ∪ [b, c] mà f lồi (lõm) trên [a,b], f
X
lõm (lồi) trên [b,c] . Khi đó điểm U(b,f(b)) gọi là điểm uốn của đồ thị Cf
của hàm số. Như vậy điểm uốn là điểm phân biệt giữa các cung lồi và cung
lõm của đồ thị hàm số.
Định lí 1: Để f là lồi trên X điều kiện cần và đủ là ∀a ∈ X , tỷ số gia tại
a của f tăng trên X \ {a} , tức là
f ( x) − f (a)
τ a ( x) =
x−a tăng trên X \ {a} .
Định lí 2 : ( Bất đẳng thức Jensen)
f ∈RX n ∈ N * , x 1 , x 2 ,..., x n ∈ X ; λ1 , λ 2 ,..., λ n ∈ [0,1]
Nếu lồi , sao cho
n ⎛ n
⎞ n
∑λ k =1 f ⎜ ∑ λk xk ⎟ ≤ ∑ λk f ( xk )
k =1 thì sẽ có ⎝ k =1 ⎠ k =1
b. Điều kiện hàm lồi
Định lí 1: Giả sử f là lồi trên X khi đó f khả vi phải và trái tại mọi
điểm trong của X và ∀a, b, c ∈ X sao cho a 0)
x
Câu 34. Tìm cực trị các hàm số sau:
2 2
2
a. y = x (1 − x x ) b. y = x ( x + 2) c. y = x3 + (x − 2) 3
x2
− 1 + ln x x x
d. y = xe 2 e. y = f. y = 2 cos + 3 cos
x 2 3
g. y = sin x 2 h. y = ln 1 + x 2 − arctgx
Câu 35. Chứng minh các đẳng thức sau:
x
a. arctgx = arcsin
1 + x2
x
b. arcsin x = arctg
1 − x2
Câu 36. Chứng minh các bất đẳng thức sau:
⎛ π⎞
a. sin x + tgx ≥ 2 x, x ∈ ⎜ 0, ⎟
⎝ 2⎠
1
b. cos x > 1 − x 2 , ∀x > 0
2
tgα tgβ π
c. < , 0 x + , 0< x
3 − , ∀x > 1
x
i. 2 x.arctgx ≥ ln(1 + x 2 ) ∀x
2( x − 1)
k. ln x > , ∀x > 1
x +1
arctgx
l. ln(1 + x) > , ∀x > 0
1+ x
Câu 37. Chứng minh tính duy nhất nghiệm của các phương trình sau:
a. 2 x + sin x + cos x = 0
2 3
b. x − 2 x 2 + 1 = 0, x≤0
3
c. a x + b x = c x , 0 < a < c,0 < b < c
a+x
d. x = a 2 + 2 sin , ∀a
2
e. x 3 + sin 2 ax + cos3 a = 0, ∀a
Câu 38. Tìm giá trị lớn nhất, bé nhất của các hàm số:
1− x + x2
a. y = , 0 ≤ x ≤1
1+ x + x2
a2 b2
b. y = + , 0 < x < 1, a > 0, b > 0
x 1− x
π
c. y = 2tgx − tg 2 x, 0≤ x
0)
x x
Câu 41. Khảo sát hàm số sau:
ln x 4 1
a. y = (2 + x 2 )e − x b. y =
2
c. y = +
x x x4
x 1
e. y = ⎛1 + ⎞
1 1
d. y = ⎜ ⎟ f. y = ex −x
sin x + cos x ⎝ x⎠
3.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG III
1 1
Câu 1. a. f / ( x) = , b. f / ( x) = 1 − ,
2x + 1 x2
1 1 1
c. f / ( x) = − − , d. f / ( x) = ,x≠0
x2 3
2 x
2x 2
⎧2 x(1 − x 2 )e − x , x ≤ 1
2
/ 2 ⎪
Câu 2. a. y = ( x − 1) x + 1 (5 x − 1) b. y = ⎨ /
⎪0, x > 1
⎩
⎧ n−2 ⎛ 1 1⎞
⎪ x ⎜ nx sin − cos ⎟, x ≠ 0, n ≥ 2
c. y / = ⎨ ⎝ x x⎠ d. y / = 2 x
⎪0, x = 0
⎩
2 2
Câu 5. a. f p/ (0) = 1, f t / (0) = −1 , b. f p/ (0) = − , f t / ( 0) =
a a
c. f p/ (0) = 0, f t / (0) = 1, d. f / ( 0) = 0
76
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
1
1/ / 1 / 1 sin 2 2
Câu 6. a. y = b. y = , c. y = − e x sin ,
sin x x2 +1 x2 x
2
4x 1 ⎛/ 1 ⎞ 1
d. y = /
, e. y = − ⎜1 + 3 ⎟ , f. y / = ,
1 + x4 x x⎝ x⎠ x2 + 1
2(ln x + 1) x−a
g. y / = , h. y / = ,
x 2 ln 2 x − 1 (2ax − x ) 2 3
2 20 sin 4 x
i. y / = , k. y / = ,
x − ax 5
(1 + cos 4 x) 6
⎛1 − x ⎞
sin 2⎜⎜1 + x ⎟
⎟
⎝ ⎠ x2 −1
l. y / = 2
, m. y / = ,
x (1 + x ) ⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞
2 x 2 cos 2 ⎜ x + ⎟ 1 + tg ⎜ x + ⎟
⎝ x⎠ ⎝ x⎠
1 1
n. y / = , o. y / =
(1 + x) 2 x(1 − x) x log 5 x. log 3 (log 5 x) ln 2. ln 3. ln 5
2
+1
Câu 7. a. y / = x x (2 ln x + 1) .
cos x ⎛ cos x 2
⎞
/
b. y = (sin x) ⎜
⎜ sin nx − sin x ln sin x ⎟,
⎟
⎝ ⎠
57 x 2 − 302 x + 361 ( x + 1) 2 4 x − 2
/
c. y = .
20( x − 2)( x − 3) 5
( x − 3) 2
x
⎛ x ⎞ ⎛ 1
/ x ⎞
d. y = ⎜ ⎟ ⎜ + ln ⎟.
⎝ x + 1⎠ ⎝ x + 1 x + 1⎠
⎡ 2 x sin x ⎤
e. y / = ( x 2 + 1) sin x ⎢ + cos x ln( x 2 + 1)⎥.
⎣ x2 +1 ⎦
/ x 4 + 6 x 2 + 1 x ( x 2 + 1)
f. y = 3 .
3 x(1 − x 4 ) ( x 2 − 1) 2
1 − ln x
g. y / = y .
x2
77
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
2
h. y / = y (ln 2 + − 1 − ln x)
x
1
i. y/ = x
x x +1 ln x(ln x − 1).
e
1
k. y/ = (cot gx ln cos x + tgx ln sin x).
ln 2 cos x
dx
Câu 8. a. dy = − 2
. b. Δf (1) = Δx + 3(Δx) 2 + (Δx) 3 , df (1) = Δx .
sin x
10
d. 10 3 ≈ 1,9955... e. dy (1) = 0,3466.
b t
Câu 9. a. y x = − tgϕ ,
/ /
b. y x = ,
a 2
1+ t2 / t
c. /
yx = , d. y x = cot g .
t ( 2 + 3t − t 2 ) 2
1 ⎛ sin x ⎞
Câu 10. a. 1 − 4 x 3 − 3x 6 , b. 2
⎜ cos x − ⎟,
2x ⎝ x ⎠
c. − cot gx.
Câu 13. a. y (n)
[ x
= 2 + ( −1) 2 n −x
]ln n
2, b. y (n)
= ( −1) n −1 (n − 1)! a n
,
(ax + b) n
n! ( ad − bc )(−c ) n −1 ( −1) n −1 ( 2n − 3)!!
c. y ( n ) = , d. y ( n ) = ,
(cx + d ) n +1 2 n
x 2 n −1
(n) ( 2n + 1)!! (n) (−1) n −1 (2n − 3)!!
e. y = x, f. y = 2 n +1
( x − 2n + 1).
2n n
2 x 2
Câu 14.
a. y (20) = ( x 2 − 379) sin x − 40 x cos x.
10 n!
b. y (10) = e x ∑ (−1) n C10
n
.
n =0 x n +1
n
⎛ kπ ⎞
c. y ( n ) = e x ∑ C n sin ⎜ x +
k
⎟.
k =0 ⎝ 2 ⎠
78
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
1⎧ ⎡ nπ ⎤ ⎡ nπ ⎤ ⎫
d. y ( n) = ⎨(a − b) n cos⎢(a − b) x + − (a + b) n cos⎢(a + b) x + ⎬.
2⎩ ⎣ 2 ⎥
⎦ ⎣ 2 ⎥⎭
⎦
197!!(399 − x)
e. y (100) = .
2100 (1 − x)100 1 − x
(−1) n +1 .1.4...(3n − 5)(3n + 2 x)
f. . y ( n) =
1
.
n+
3 n (1 + x) 3
⎧ b
n ⎪sin ϕ =
⎪ a2 + b2
g. y ( n ) = e ax (a 2 + 2 2
b ) sin(bx + c + nϕ ) . ⎨
⎪cos ϕ = a
⎪
⎩ a2 + b2
Câu 26. a. x1 ∈ (−2;−1), x 2 ∈ ( −1;1), x 3 ∈ (1;2). b. f (0) = f (1)
1
Câu 29. a. a = 0; b = , b. k = 0.
2
1 π2
Câu 30. a. 0, b. ∞ , c. 1, d. ∞, e. , f. .
2 2
1 p−q 1
Câu 31. a. , b. 0, c. 0, d. , e. , f. –1
2 2 12
1 1 2
(ln a −ln 2 b )
3
Câu 32. a. 1, b. 1, c. e d. e3 e. e f. e 2
Câu 33. a. Tăng [0,+∞) không có cực trị.
⎛ 1⎤ ⎡1 ⎞
b. Tăng ⎜ 0, ⎥ , giảm ⎢ ,+∞ ⎟ , xCĐ = 1 .
⎝ e⎦ ⎣e ⎠ e
c. Giảm (− ∞;−1], tăng [1;+∞ ) .
d. Giảm (− ∞;0 ), (0;1), tăng [1;+∞ ) , xCT = 1 .
⎡3 ⎤ ⎡ 3 ⎤ 3
e. Giảm ⎢ a; a ⎥ , tăng ⎢0; a ⎥, xCD = a.
⎣4 ⎦ ⎣ 4 ⎦ 4
⎛ 2 63 4⎞
Câu 34. a. min (0;0), max ⎜ 23
⎜ ; ⎟.
⎝ 49 7 7 ⎟
⎠
b. min (0;0), max (−1;1).
c. min (0; 3 4 ), min (2; 3 4 ), max (1;2).
79
Chương 3: Phép tính vi phân hàm số một biến số
⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
d. min ⎜ − 1;− ⎟, max ⎜1; ⎟.
⎝ e⎠ ⎝ e⎠
e. max (1;1).
⎡ ⎛ 1⎞ π⎤
f. min ⎢12⎜ k ± ⎟π ;−5 cos ⎥, min [6(2k + 1)π ;1],
⎣ ⎝ 5 ⎠ 5 ⎦
⎡ ⎛ 2⎞ 2π ⎤
max (12kπ ;5), max ⎢12⎜ k ± ⎟π ;5 cos .
⎣ ⎝ 5⎠ 5 ⎥
⎦
⎛ 4n + 1 ⎞
g. min (0;0), max ⎜ ±
⎜ π ;1⎟.
⎟
⎝ 2 ⎠
⎛ 1 π⎞
h. min ⎜1; ln 2 − ⎟.
⎝ 2 4⎠
1 π
Câu 38. a. m = , M = 1. b. m = (a + b) 2 . c. M = 1. d. m = 0, M = .
3 4
Câu 39. a. x = 0. b. y=0 . c. y = 0.
1 1
d. y = −2, y = 2( x − 1). e. x = − , y = x+ .
e e
f. x=0, y=x
Câu 40. a. xU = {0;±6} b. xU = {− 1;−3}.
3
c. φ. d. xU = ae 2 .
80
Chương 4: Phép tính tích phân
3.
4.
5. CHƯƠNG IV: PHÉP TÍNH TÍCH PHÂN
4.1 MỤC ĐÍCH
Phép tính tích phân là phép tính cơ bản thứ hai của toán cao cấp. Đây là
phép tính ngược của phép tính vi phân. Chính vì thế để tính tích phân nhanh
chóng, chính xác cần thông thạo phép tính đạo hàm của hàm số.
Trong mục thứ nhất của chương này cần nắm vững định nghĩa tích phân
xác định. Bản chất của nó là phép tính giới hạn của một dãy số được tạo ra theo
một nguyên tắc nhất định (lập tổng tích phân) từ hàm số f(x) xác định trên đoạn
[a,b]. Sau khi hiểu được lớp các hàm khả tích sẽ thấy rõ khái niệm tích phân xác
định học ở phổ thông trung học chỉ là một trường hợp riêng của khái niệm tích
phân xác định được trình bày ở mục này. Cụ thể là công thức Newton-Leibnitz
chỉ được áp dụng khi hàm dưới dấu tích phân liên tục trên đoạn [a,b]. Người
học phải nắm được điều kiện cần của hàm khả tích để sau này phân biệt với tích
phân suy rộng. Bên cạnh đó phải biết vận dụng các tính chất của tích phân xác
định bởi vì nhờ có tính chất này và các tích phân cơ bản mà ta có thể tính được
các tích phân phức tạp hơn. Cần hiểu được nguyên hàm của hàm số là gì và
phân biệt tích phân xác định với tích phân bất định.
Trong mục thứ hai cần nắm vững hai phương pháp cơ bản để tính tích phân
xác định: Phương pháp tích phân từng phần và phương pháp đổi biến số. Cần
hiểu rằng phần lớn các tích phân chỉ được tính bằng một phương pháp duy nhất.
Do đó trước hết phải phân loại sau đó mới đi vào tính toán. Nắm chắc các điều
kiện đối với hàm số khi thực hiện phép đổi biến số. Lưu ý rằng khi thực hiện
phép đổi biến số thì cận của tích phân cũng biến đổi theo.
Mục thứ ba trình bày phương pháp tính tích phân bất định. Ngoài hai
phương pháp cơ bản cần phải thuộc cách đổi biến thích hợp cho từng trường
hợp: hàm hữu tỉ, hàm hữu tỉ lượng giác, hàm vô tỉ,....
Mục thứ tư gồm các ứng dụng mang tính chất hình học của tích phân xác
định: diện tích hình phẳng, thể tích vật thể, độ dài cung. Phải chú ý đến tính
chất biên của các hình rồi mới áp dụng các công thức tính thích hợp: trong hệ
tọa độ đề các, tọa độ cực. Sau này còn được biết nhiều ứng dụng rộng rãi của
tích phân xác định.
81
Chương 4: Phép tính tích phân
Trong mục thứ năm người học phải hiểu rõ tích phân suy rộng, ý nghĩa
hình học của nó. Phân biệt sự khác nhau giữa tích phân suy rộng và tích phân
xác định. Nắm vững khái niệm hội tụ, phân kỳ của tích phân suy rộng. Khi sử
dụng tiêu chuẩn hội tụ của lớp hàm giữ nguyên dấu cần phải dùng đến phép so
sánh các vô cùng bé, vô cùng lớn. Cần nắm vững khái niệm hội tụ tuyệt đối,
bán hội tụ của tích phân suy rộng, bởi vì các nội dung trên sẽ gặp ở trong
chương tiếp theo. Cũng cần nhớ rằng rất nhiều vấn đề kỹ thuật gắn liền với việc
tính các tích phân suy rộng.
4.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
4.2.1 Khái niệm về tích phân xác định
a. Định nghĩa tích phân xác định
Cho f : [a, b] → R , a < b
1. Ta gọi một họ hữu hạn các điểm ( xi ) , i = 0, n sao cho
a = x0 < x1 < ... < xn −1 < xn = b
là một phân hoạch (hay một cách chia) đoạn [a, b] và gọi λ = 0Max1 Δxi ,
≤i ≤ n −
trong đó Δxi = xi +1 − xi , i = 0, n − 1 là bước của phân hoạch đã chọn. Tập phân
hoạch là (℘n )
2. Ta gọi một cách chọn ứng với phân hoạch là một cách lấy n điểm ξi ,
sao cho ξi ∈ [xi , xi +1 ] , i = 0, n − 1
n −1
3. Ta gọi số thực σ = ∑ f (ξ i )Δxi là tổng Riơman (Riemann) của hàm
i =0
fứng với một phân hoạch và một cách chọn.Rõ ràng với f ∈ R [a , b ] sẽ có dãy
vô hạn tổng Riemann σ Kí hiệu là (σ n ) .
4. Nếu λ → 0 mà σ n → I hữu hạn ( không phụ thuộc vào cách chia đoạn
[a,b] và cách chọn các điểm ξ i ứng với cách chia đó ) thì I gọi là tích phân
b
xác định của f trên [a, b] , Kí hiệu là ∫ f ( x)dx , khi đó nói rằng f khả tích trên
a
b n −1
[a, b] Như vậy ∫ f ( x)dx = lim ∑ f (ξ i )Δxi
λ →0
a i =0
82
Chương 4: Phép tính tích phân
b . Điều kiện tồn tại
Điều kiện cần
Định lí: Nếu f khả tích trên [a,b] thì f bị chặn trên [a,b]
Các tổng Đácbu (Darboux)
Cho f : [a, b] → R và phân hoạch ( xi ) xác định (i = 0, n)
Đặt mi = Inf f , M i = Sup f , i = 0, n − 1 .
[xi , xi +1 ] [ xi , xi + 1 ]
n −1 n −1
Ta gọi s = ∑ mi Δxi , S = ∑ M i Δxi là các tổng Darboux dưới và trên, hay tổng
i =0 i =0
tích phân dưới và tổng tích phân trên của f ứng với một phân hoạch xác định.
Vì rằng mi ≤ f (ξ i ) ≤ M i , ∀ξ i ∈ [xi , xi +1 ] nên s ≤ σ ≤ S .
Một phân hoạch đã định thì s, S là hằng số, tổng Riemann phụ thuộc vào
ξi ∈ [xi , xi +1 ] i = 0, n − 1 . Chứng tỏ các tổng Darboux là cận dưới đúng và cận
trên đúng của σ
Hệ quả 1: Nếu thêm vào điểm chia mới thì s tăng và S giảm.
Hệ quả 2: Mọi tổng Darboux dưới không vượt quá một tổng Darboux
trên.
Điều kiện cần và đủ để hàm khả tích
Định lí: Để cho hàm f khả tích trên [a,b] điều kiện cần và đủ là
lim ( S − s ) = 0
λ →0
c. Lớp các hàm khả tích.
Định lí 1: Nếu f (x ) liên tục trên [a,b] thì khả tích trên đoạn đó
Định lí 2: Nếu f (x ) đơn điệu và bị chặn trên [a,b] thì khả tích trên đoạn
đó.
Hệ quả: Nếu f (x) liên tục từng khúc trên [a,b] thì khả tích trên đoạn đó.
Dưới đây ta đưa ra các định lí và sẽ không chứng minh, về một lớp hàm
khả tích, lớp hàm này chứa tất cả các lớp hàm đã xét ở trên
Định lí 3: Nếu f (x) bị chặn trên [a,b] và chỉ có hữu hạn điểm gián đoạn thì
f (x ) khả tích trên [a,b]
83
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí 4: Nếu f (x ) khả tích trên [a,b] thì f ( x) , k. f ( x) (k = const) cũng khả
tích trên [a,b].
Định lí 5: Nếu f , g khả tích trên [a,b] thì tổng, hiệu, tích của chúng cũng
khả tích trên [a,b]
Định lí 6: Nếu f khả tích trên [a,b] thì khả tích trên mọi đoạn [α , β ] ⊂ [a, b] .
Ngược lại nếu [a,b] được tách ra thành một số đoạn và trên mỗi đoạn đó
hàm khả tích thì f khả tích trên [a,b].
d. Các tính chất của tích phân xác định
Tính chất
Cho f , g khả tích trên [a,b] và a 0 thì ∫ f ( x)dx > 0
a
b b
7. ∫ f ( x)dx ≤ ∫ f ( x) dx
a a
b
8. Nếu m ≤ f ( x) ≤ M , ∀x ∈ [a, b] thì m(b − a) ≤ ∫ f ( x)dx ≤ M (b − a)
a
Định lí tổng quát về giá trị trung bình
84
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí: Cho f , g khả tích trên [a,b], a a
dx 1 1
Nếu n ∈ N* \ { }
1 thì ∫ =− . +C
( x − a)n n − 1 ( x − a ) n −1
Tích phân các phân thức tối giản loại thứ hai
87
Chương 4: Phép tính tích phân
λx + μ
I= ∫ (ax 2
+ bx + c) n
dx , λ , μ , a, b, c ∈ R và b 2 − 4ac < 0, n ∈ N *
Nếu λ = 0
dx
I = μ∫
(ax + bx + c) n
2
Δ ⎧ ⎛ 2ax + b ⎞ ⎫
2
⎪ ⎪
Biến đổi ax + bx + c = − ⎨1 + ⎜
2
⎟ ⎬ , Δ = b − 4ac
2
4a ⎪ ⎝ − Δ ⎠
⎩ ⎪
⎭
2ax + b
Thực hiện đổi biến t=
−Δ
n
−Δ
Suy ra I = μ ⎛ −
4a ⎞ dt
⎜
⎝ Δ⎠
⎟
2a ∫ (1 + t 2 )n
dt
Dẫn đến tính J n (t ) = ∫ (1 + t 2 n
)
bằng phương pháp truy toán.
dt
Trước hết J1 (t ) = ∫1+ t 2
= arctgt + C
Tích phân từng phần sẽ có
t t 2 dt
J n (t ) = + 2n ∫
(1 + t 2 ) n (1 + t 2 ) n +1
t
Jn = + 2 n ( J n − J n +1 )
(1 + t 2 ) n
t
2nJ n +1 = (2n − 1) J n +
(1 + t 2 ) n
Nếu λ ≠ 0.
2 aμ
2ax +
λ λ
2a ∫ (ax 2 + bx + c) n
I= dx
λ 2ax + b λ ⎛ 2aμ ⎞ dx
2a ∫ (ax
= dx + ⎜ − b ⎟∫
2
+ bx + c) n
2a ⎝ λ ⎠ (ax + bx + c)
2 n
Tích phân thứ nhất tính được nhờ phép đổi biến u = ax 2 + bx + c
2ax + b du 1 1
∫ (ax 2
+ bx + c) n
dx = ∫ n =
u 1 − n (ax + bx + c) n −1
2
+C
Tích phân thứ hai tính theo Jn đã trình bày ở trên.
88
Chương 4: Phép tính tích phân
d. Tính nguyên hàm các phân thức hữu tỉ đối với một số hàm thông dụng
Hàm hữu tỉ đối với sin và côsin
1. Trường hợp tổng quát.
Xét ∫ R(sin x, cos x)dx trong đó R là ‘’phân thức hữu tỉ hai biến’’
x
Thực hiện phép đổi biến: t = tg . Khi đó
2
2t 1− t2 2dt
sin x = , cos x = , dx =
1+ t 2
1+ t 2
1+ t2
P (t )
Khi đó đưa về dạng ∫ dt
Q (t )
Tuy nhiên bậc của P (t ) và Q(t ) thường là cao, làm cho quá trình tính
toán rất nặng nhọc. Sau đây ta xét một số trường hợp đặc biệt, với cách đổi
biến thích hợp sẽ tính toán dễ dàng hơn.
2. Trường hợp đặc biệt thứ nhất.
• Nếu R (sin x, cos x ) = R ( − sin x,− cos x) thì đổi biến t = tgx hoặc t = cot gx
• Nếu R (sin x, cos x ) = − R (sin x,− cos x ) thì đổi biến t = sin x
• Nếu R (sin x, cos x ) = − R ( − sin x, cos x) thì đổi biến t = cos x
3. Trường hợp đặc biệt thứ hai.
Khi R(sin x, cos x) = sin m x. cos n x , m, n ∈ Z
• Nếu m lẻ thì đổi biến t = cos x
• Nếu n lẻ thì đổi biến t = sin x
• Nếu m, n chẵn và không cùng dương thì đổi biến t = tgx
• Nếu m, n chẵn và cùng dương thì tuyến tính hoá sau đó tính
nguyên hàm.
Hàm hữu tỉ đối với shx và chx
Vì đạo hàm của các hàm shx và chx tương tự như các hàm sin x và cos x ,
mà ∫ R(sin x, cos x)dx có phép đổi biến tương ứng là
89
Chương 4: Phép tính tích phân
x
t = tg
2
, t = cos x , t = sin x , t = tgx , cho nên ∫ R(shx, chx)dx có phép đổi biến
x
tương ứng là t = th , t = chx , t = shx , t = thx
2
Hàm hữu tỉ đối với eαx , α ∈ R
Xét ∫ f (e )dx , trong đó là hàm hữu tỉ. Thực hiện phép đổi biến
αx
I= f (x )
t = eαx , dt = αeαx dx , Khi đó
1 f (t )
α∫
I= dt
t
ax + b
Hàm hữu tỉ đối với x và n
cx + d
⎛ ax + b ⎞
Xét I = ∫ R ⎜ x, n
⎜
⎟dx trong đó R ( x, y ) là hàm hữu tỉ của hai biến x, y
⎝ cx + d ⎟
⎠
ax + b
Với y = n thoả mãn điều kiện ad ≠ bc
cx + d
Thực hiện phép đổi sang biến y thì
⎛ y n d − b ⎞ ny n −1 (ad − bc)
R( x, y )dx = R⎜
⎜ a − cy n , y ⎟ (a − cy n ) 2 dy
⎟
⎝ ⎠
= f ( y ) dy
Trong đó f ( y) là hàm hữu tỉ của y.
4.2.4 Một số ứng dụng của tích phân xác định
a. Tính diện tích hình phẳng
Miền phẳng giới hạn bởi các đường cong trong toạ độ Đềcác(Descartes)
Giả sử miền phẳng D giới hạn bởi các đường:
trong đó f1 , f 2 liên tục từng khúc
x = a , x = b , (a < b) , y = f1 ( x) , y = f 2 ( x)
trên [a,b]. Gọi diện tích của miền phẳng D là S. Theo ý nghĩa hình học của
tích phân xác định, nhận được công thức tính S như sau:
b
S = ∫ f1 ( x) − f 2 ( x) dx
a
Tương tự, nếu D giới hạn bởi các đường:
90
Chương 4: Phép tính tích phân
y = c , y = d , (c < d ) , x = g1 ( y) , x = g 2 ( y ) trong đó g1 , g 2 liên tục từng khúc
trên [c,d] thì
d
S = ∫ g1 ( y ) − g 2 ( y ) dy
c
Giả sử miền phẳng D giới hạn bởi đường cong cho dưới dạng tham số:
⎧ x = x(t )
⎨ t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = y (t )
β
∫ y(t ).x (t ) dt
,
Khi đó S=
α
Nếu miền phẳng D giới hạn bởi đường cong có phương trình cho dưới
dạng toạ độ cực.
r = r (ϕ ) , α ≤ϕ ≤ β
Liên hệ giữa toạ độ Descartes và toạ độ cực là:
⎧ x = r (ϕ ) cosϕ
⎨
⎩ y = r (ϕ ) sin ϕ
1 2
2∫
Khi đó S= r (ϕ )dϕ
b. Tính độ dài đường cong phẳng
Phương trình cho trong hệ toạ độ Descartes vuông góc
∩
Giả sử đường cong AB cho bởi phương trình
y = f ( x) , A (a, f (a) ) , B(b, f (b) )
Trong đó f ∈ C1 trên [a, b] , (a < b)
∩
Nếu gọi l là độ dài cung AB thì l được tính theo công thức
b
l = ∫ 1 + f '2 ( x)dx
a
Phương trình cho trong dạng tham số
⎧ x = ϕ (t )
⎨ , t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = ψ (t )
91
Chương 4: Phép tính tích phân
ϕ ,ψ ∈ C1 trên [t0 ,t1 ]
t1
l= ∫
t0
ϕ '2 (t ) + ψ '2 (t )dt
Phương trình cho trong dạng toạ độ cực
r = r (ϕ ) , α ≤ ϕ ≤ β
β
2
l = ∫ r 2 (ϕ ) + r , (ϕ )dϕ
α
c. Tính thể tích vật thể
Công thức tổng quát
Giả sử vật thể (V ) nằm giữa hai mặt phẳng vuông góc với trục Ox, các
mặt phẳng này có phương trình là x = a và x = b , a < b . Các thiết diện của
vật thể (V ) vuông góc với trục Ox nằm trên mặt phẳng có phương trình
x = x0 , x0 ∈ [a, b] có diện tích tương ứng S ( x0 ) . Khi đó thể tích của vật thể
b
(V), kí hiệu là V, tính theo công thức V = ∫ S ( x)dx
a
Công thức tính cho vật thể tròn xoay
Vật thể (V) tròn xoay là vật thể được tạo thành do một hình thang cong
giới hạn bởi các đường: x = a , x = b , (a < b) , y = 0 và y = f ( x) ≥ 0 , x ∈ [a, b]
quay xung quanh trục Ox (xem hình 4.8). Cụ thể hơn, phần không gian
bị chiếm chỗ do hình thang cong quay xung quanh trục Ox gọi là vật thể
tròn xoay.
Như vậy các thiết diện vuông góc với trục Ox là các hình tròn. Diện tích
của thiết diện nằm trên mặt phẳng x = x0 sẽ là π . f 2 ( x0 ) . Từ đó nhận được
b
công thức tính: V = π ∫ f 2 ( x)dx
a
d. Tính diện tích mặt tròn xoay
)
Mặt tròn xoay là một mặt cong được tạo thành do một cung cong AB
quay xung quanh trục Ox tạo ra. Cụ thể hơn: Phần không gian bị chiếm chỗ
)
do cung AB quay xung quanh trục Ox gọi là mặt tròn xoay. Gọi S là diện tích
của mặt tròn xoay, dưới đây chúng ta sẽ đưa ra các công thức tính.
∩
Cung AB cho bởi phương trình y = f ( x) ≥ 0 , a ≤ x ≤ b
92
Chương 4: Phép tính tích phân
b
S = 2π ∫ f ( x) 1 + f '2 ( x)dx
a
∩
Cung AB cho bởi phương trình tham số
⎧ x = x(t )
⎨ , t0 ≤ t ≤ t1
⎩ y = y (t ) ≥ 0
t1
S = 2π ∫ y (t ) x'2 (t ) + y '2 (t ) dt
t0
∩
Cung AB cho bởi phương trình trong hệ toạ độ cực
r = r (ϕ ) , α ≤ ϕ ≤ β
β
S = 2π ∫ r (ϕ ) sin ϕ r 2 (ϕ ) + r '2 (ϕ )dϕ
α
4.2.5 Tích phân suy rộng
a. Tích phân suy rộng với cận vô hạn
Định nghĩa
1. Cho f : [a,+∞) → R , a ∈ R , khả tích trên [a, A] , ∀A > a .
+∞
Tích phân suy rộng của f với cận + ∞ được kí hiệu là: ∫ f ( x)dx
a
+∞
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về số
a
I∈R nếu
A +∞
lim
A → +∞ ∫
a
f ( x)dx = I kí hiệu ∫ f ( x)dx = I
a
Nếu I không tồn tại hoặc I = ∞, thì nói rằng tích phân suy rộng
+∞
∫ f ( x)dx phân kỳ.
a
2. Cho f : (− ∞, a] → R , a ∈ R , khả tích trên [B, a] , ∀B < a
a
Tích phân suy rộng của f với cận −∞, kí hiệu là ∫ f ( x)dx .
−∞
a
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về số J ∈ R nếu
−∞
93
Chương 4: Phép tính tích phân
a a
lim
B → −∞ ∫
B
f ( x) dx = J = ∫ f ( x)dx
−∞
Nếu J không tồn tại hoặc J = ∞ , thì nói rằng tích phân suy rộng
a
∫ f ( x)dx phân kỳ.
−∞
3. Cho f :R→R khả tích trên [A, B] , ∀A, B ∈ R . Tích phân suy rộng
+∞
của f với các cận vô hạn, kí hiệu là: ∫ f ( x)dx .
−∞
+∞
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ khi và chỉ khi các tích
−∞
a +∞
phân suy rộng ∫ f ( x)dx và
−∞
∫ f ( x)dx cùng hội tụ,
a
∀a ∈ R . Trong trường hợp
+∞ a +∞
này kí hiệu ∫
−∞
f ( x)dx = ∫
−∞
f ( x)dx + ∫ f ( x)dx , ∀a ∈ R
a
Rõ ràng nếu f liên tục trên tập xác định của nó, và có nguyên hàm
F (x ) thì có thể dùng kí hiệu Newton-Leibnitz như sau:
+∞
∫ f ( x)dx = lim F ( A) − F (a ) = F ( x) a ∞
+
A → +∞
a
a
∫ f ( x)dx = F (a) − lim F ( B) = F ( x)
a
−∞
B → −∞
−∞
+∞
∫ f ( x)dx = lim F ( A) − lim F ( B ) = F ( x) + ∞
∞
−
A → +∞ B → −∞
−∞
Điều kiện hội tụ của tích phân suy rộng
∞
Sau đây ta xét trường hợp tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx với
a
f ( x) ≥ 0 .
Các trường hợp tích phân suy rộng khác với f (x) giữ nguyên dấu,
chúng ta có thể suy diễn tương tự để nhận được các kết quả tương ứng.
A
Đặt φ ( A) = ∫ f ( x)dx
a
Vì f ( x) ≥ 0 trên [a,+∞ ) , chứng tỏ φ ( A) đơn điệu tăng trên [a,+∞ ) . Từ định
lí về giới hạn của hàm đơn điệu suy ra:
94
Chương 4: Phép tính tích phân
Định lí 1: Cho hàm số f ( x) ≥ 0 và khả tích trên [a, A] , ∀A > a để tích
+∞
phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là tồn tại
a
L∈R sao cho
φ ( A) ≤ L , ∀A
Định lí 2: Cho các hàm số f ( x ), g ( x ) khả tích trên [a, A] , ∀A > a và
0≤ f ( x ) ≤ g ( x ) , ∀x ≥ b > a khi đó
+∞ +∞
Nếu ∫ g ( x)dx
a
hội tụ thì ∫ f ( x)dx hội tụ.
a
+∞ +∞
Nếu ∫ f ( x)dx phân kỳ thì ∫ g ( x)dx phân kỳ
a a
Định lí 3: Cho các hàm số f ( x ), g ( x ) không âm và khả tích trên
[a, A] , ∀A > a . Khi đó:
+∞
f ( x)
1. Nếu = l , l ∈ R+ thì các tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx và
*
lim
x → +∞ g ( x )
a
+∞
∫ g ( x)dx cùng hội tụ hoặc cùng phân kỳ.
a
+∞ +∞
f ( x)
2. Nếu lim
x → +∞ g ( x)
=0 và ∫ g ( x)dx hội
a
tụ thì ∫ f ( x)dx hội tụ
a
+∞ +∞
f ( x)
3. Nếu lim = +∞ và ∫ g ( x)dx phân kỳ thì ∫ f ( x)dx phân kỳ
x → +∞ g ( x) a a
Hệ quả 1: Giả sử với x đủ lớn hàm số f (x ) có dạng:
h( x )
f ( x) = , k > 0 , h( x ) ≥ 0 . Khi đó
xk
+∞
Nếu k > 1 và 0 ≤ h ≤ c < +∞ thì ∫ f ( x)dx hội tụ.
a
+∞
Nếu k ≤ 1 và h( x) ≥ c > 0 thì ∫ f ( x)dx phân kỳ
a
Trong đó c là hằng số.
95
Chương 4: Phép tính tích phân
1
Hệ quả 2: Nếu f ( x) ≥ 0 và là VCB cấp k so với VCB tại + ∞ thì
x
+∞
∫ f ( x)dx hội tụ khi
a
k >1 và phân kỳ khi k ≤ 1
Hệ quả 1 được suy ra trực tiếp từ định lí 2 và ví dụ 1d.
Hệ quả 2 được suy ra trực tiếp từ định lí 3 và ví dụ 1d.
+∞
Định lí 4: Để tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là:
a
∀ε > 0 , ∃A0 > a , ∀A > A0 , ∀A' > A0 ⇒ φ ( A' ) − φ ( A) < ε
A'
Hay ∫ f ( x)dx
A
0 đủ bé. ích
b
phân suy rộng của f trên [a, b] , kí hiệu ∫ f ( x)dx . Nói rằng tích phân suy rộng
a
b −ε b
hội tụ về I∈R nếu lim
ε →0 ∫ f ( x)dx = I , kí hiệu
a
I = ∫ f ( x)dx
a
Nếu không tồn tại giới hạn hữu hạn (không có I hoặc I = ∞) thì nói rằng
b
tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx phân kỳ.
a
3. Cho f : (a, b] → R , f (a + ) = ∞ khả tích trên [a + ε , b]
b
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ về J nếu
a
b
lim
ε →0 ∫ f ( x)dx = J (hữu hạn).
a +ε
Nếu không tồn tại J nói rằng tích phân suy rộng phân kỳ.
4. Cho f : [a, b] \ {x o } → R , x o ∈ (a, b) là cực điểm của f
b
Nói rằng tích phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ khi và chỉ khi các tích
a
x0 b
phân suy rộng ∫ f ( x)dx và ∫ f ( x)dx cùng hội tụ, Khi đó kí hiệu:
a x0
b x0 b
∫
a
f ( x) dx = ∫a
f ( x) dx + ∫ f ( x)dx
x0
Điều kiện hội tụ của tích phân suy rộng
Chúng ta giới hạn trường hợp f (x ) giữ nguyên dấu trên (a, b) . Giả sử
f ( x) ≥ 0 trên [a, b ) và f (b − ) = ∞
b −ε
Đặt φ (ε ) = ∫ f ( x)dx
a
97
Chương 4: Phép tính tích phân
Rõ ràng φ (ε ) là hàm số giảm ở lân cận bên phải của điểm 0. Từ định lí
về giới hạn của hàm đơn điệu, chúng ta nhận được định lí sau đây:
b
Định lí: Để tich phân suy rộng ∫ f ( x)dx hội tụ, điều kiện cần và đủ là
a
φ (ε ) bị chặn ở lân cận bên phải điểm ε = 0 , tức là φ (ε ) ≤ L , ∀ε > 0
4.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Nêu định nghĩa tích phân xác định và ý nghĩa hình học của nó.
Câu 2. Điều kiện cần của hàm khả tích là gì?
Câu 3. Trình bày lớp các hàm khả tích.
Câu 4. Nêu các tính chất của tích phân xác định.
Câu 5. Phát biểu định lí tổng quát về giá trị trung bình của tích phân xác định.
Câu 6. Tích phân theo cận trên là gì và tính chất của nó
Câu 7. Thế nào là nguyên hàm của hàm số? Nêu tính chất của nguyên hàm.
Câu 8. Thế nào là tích phân bất định của hàm số? Nêu tính chất của nó.
Câu 9. Nêu công thức Newton-Leibnitz. Ý nghĩa của nó.
Câu 10. Trình bày hai phương pháp cơ bản tính tích phân xác định.
Câu 11. Trình bày hai phương pháp cơ bản tính tích phân bất định.
Câu 12. Viết công thức tính diện tích hình phẳng nhờ vào tích phân xác định.
Câu 13. Viết công thức tính độ dài cung nhờ vào tích phân xác định.
Câu 14. Viết công thức tính thể tích vật thể, giải thích công thức đó.
Câu 15. Viết công thức tính diện tích mặt tròn xoay.
Câu 16. Tích phân suy rộng với cận vô hạn là gì? Thế nào là sự hội tụ của nó?
Câu 17. Tích phân suy rộng với hàm dưới dấu tích phân có cực điểm là gì?
Khi nào tích phân đó hội tụ?
Câu 18. Phát biểu các tiêu chuẩn hội tụ trong trường hợp hàm dưới dấu tích
phân giữ nguyên dấu.
Câu 19. Thế nào là sự hội tụ tuyệt đối, sự bán hội tụ của tích phân suy rộng?
98
Chương 4: Phép tính tích phân
4.4 BÀI TẬP CHƯƠNG IV
Câu 1. Biến đổi về các tích phân đơn giản để tính các tích phân sau:
⎛ a−x ⎞ x4
a. ∫ ⎜ x⎟
a x ⎜1 + 3 ⎟dx
⎝ ⎠
b. ∫ 1 + x 2 dx
dx
c. ∫ aαx .b βx dx d. ∫ x−a + x−b
x 4 dx 1 + ln x
e. ∫ x10 −1
f. ∫
x
dx
3x 2 + 2 dx
g. ∫ x 3 +2 x − 1
dx h. ∫
x cos 2 (1 + ln x)
1− x
i. ∫ 2 x − arcsin x dx j. ∫ dx
1 − x2 1+ x
dx x + (arccos 3 x) 2
k. ∫ (x + x 2 − 1) 2
l. ∫ 1 − 9x2
dx
dx dx
m. ∫ 2 n. ∫ 2
4x − 9 4x + 4x + 5
o. ∫ 3 + 2 x − x 2 dx p. ∫ 3x 2 − 3x + 1dx
dx dx
q. ∫ r. ∫
4x + 4x + 3
2
8 + 6x − 9x2
Câu 2. Dùng phương pháp đổi biến để tính các tích phân sau:
a. ∫ x 2 − 5 x dx b. ∫ x 5 (1 + 2 x 2 )10 dx
dx dx
c. ∫ d. ∫
x 1+ x 2
x x 2 −1
dx dx
e. ∫ x(1 − x)
f. ∫
x ln x. ln(ln x)
xdx 6x
g. ∫ (x 2
+ 2) 3 x 2 + 5
h. ∫ 9 x − 4 x dx
Câu 3. Dùng phương pháp tích phân từng phần:
a. ∫ arctg x dx b. ∫ (arcsin x) 2 dx c. ∫ xshxdx
x arcsin x
d. ∫ (ln x) 2 dx e. ∫ 2 dx
sin x
f. ∫ 1+ x
dx
99
Chương 4: Phép tính tích phân
ln x x cos x
g. ∫ cos(ln x)dx h. ∫ dx i. ∫ dx
x2 sin 3 x
2
⎛ ln x ⎞ 1+ x
j. ∫ ⎜ x ⎟ dx k. ∫ x ln dx l. ∫ arctg 2 x − 1dx
⎝ ⎠ 1− x
x ln( x + 1 + x 2 )dx x2 dx
m. ∫ 1 + x2
n. ∫ (1 + x 2 )2 dx o. ∫ 2 2 2
(a + x )
x
arctgx arcsin
xe ln(sin x) 2 dx
p. ∫ 3
dx q. ∫
sin 2 x
dx r. ∫ 2− x
(1 + x ) 2 2
Câu 4. Tính tích phân các phân thức hữu tỉ:
x4 3x 2 + 2 x + 1
a. ∫ x 2 + a 2 dx b. ∫ ( x + 1)2 ( x 2 + 1) dx
xdx x2 − 1
c. ∫ ( x 2 + 2 x + 2) 2 d. ∫ x 4 + 1 dx
x2 + 1 dx
e. ∫ ( x 4 + x 2 + 1)2 dx f. ∫ 4 dx
x +1
dx x4 + 1
g. ∫ 10 2
x(x + 1)
h. ∫ x6 + 1 dx
Câu 5. Tích phân các hàm vô tỉ:
dx xdx
a. ∫ b. ∫ , a>0
x x2 + 1 4
x 3 (a − x)
dx dx
c. ∫1+ x + x +1
d. ∫
3
( x + 1) 2 ( x − 1) 4
x2 + 2x + 2 1− x
e. ∫ x
dx f. ∫ 1+ x
dx
Câu 6. Tích phân các hàm lượng giác:
dx tgx
a. ∫ b. ∫ dx
cos x.3 sin 2 x sin 2 x
dx dx
c. ∫ x x
d. ∫ 3 tgx
sin cos3
2 2
100
Chương 4: Phép tính tích phân
sin 2 x cos 2
x
e. ∫ sin x + 2 cos x dx f. ∫ 4
sin x + cos 4 x
dx
dx dx
g. ∫ 2 h. ∫
(sin x + 2 cos 2 x) 2 sin( x + a ) sin( x + b)
dx sin x cos sx
i. ∫ j. ∫ dx
sin x − sin a sin x + cos x
sin xdx
k. ∫ 2 + sin 2 x
Câu 7. Tích phân các hàm Hyperbolic:
a. ∫ coth 2 xdx b. ∫ shx.sh 2 x.sh3 xdx
1 + 2 shx
c. ∫ chx + 1dx d. ∫ dx
ch 2 x
Câu 8. Tính các tích phân sau:
⎧1 + x 3 , x > 1
⎪
a. ∫ x x dx b. ∫ f ( x)dx biết f ( x) = ⎨
⎪ x −1 , x ≤ 1
⎩
c. ∫ max (1, x )dx d. ∫ {1 + x − 1 − x }dx
e. ∫ shax. cos bxdx
Câu 9. Tìm công thức truy toán các tích phân sau:
a. ∫ ln n xdx = I n tính I 2 b. ∫ sin n xdx = J n tính J 5
dx
c. ∫ cos n xdx = K n tính K 7 d ∫ 2 2n = Ln
(x − a )
Câu 10. Tìm hàm f (x ) nếu biết:
1 ⎧1 khi 0 < x ≤ 1
a. f ' ( x 3 + 1) = b. f ' (ln x) = ⎨
x2 ⎩x khi 1 < x < +∞
c. f ' (sin 2 x) = cos4 x và f ( 0) = 0
Câu 11. Tính các tích phân sau bằng định nghĩa:
b b
dx
a. ∫ x 2 , (0 < a < b)
a
b. ∫ x m dx , (0 < a < b , m ≠ −1)
a
101
Chương 4: Phép tính tích phân
π
2 1
c. ∫ sin xdx d. ∫ a x dx , (a > 0)
0 0
b
ln x
e. ∫
a
x
, (0 < a < b)
Câu 12. Sử dụng công thức Newton-Leibniz tính các tích phân sau:
2 2
x
a.
−3
∫ x+4
dx b. ∫ 1 − x dx
0
π
2 1
dx dx
c. ∫ a 2 cos2 x + b2 sin 2 x (a, b ≠ 0)
0
d. ∫ 2
x − 2 x cos x + 1
−1
, (0 < α < π )
1 n
a
2
dx 2
x n −1dx
e.
1
∫ 1 − x2
f. ∫
0 a 2 − x2n
, (a > 0 , n ∈ N )
−
2
Câu 13. Tính các tích phân sau bằng phép đổi biến:
π ln 2 1
x sin xdx arcsin x
a. ∫ 1 + 2 cos2 x
0
b. ∫
0
e x − 1dx c. ∫
0 x(1 − x)
dx
3 1 a
dx 1 + x2 dx
d. ∫ 5
e. ∫ 1 + x 4 dx f. ∫x+ a2 − x2
0
(3 + x ) 2 2 1
2
0
1
3 1 3
dx ex x
g. ∫ (2 x
0
2
+ 1) 1 + x 2
h. ∫ 0 e +e
x −x
dx i. ∫ arcsin
0
1+ x
dx
a π
2
x 3
1 + tg 2 x
j. ∫
0
a−x
dx k. ∫ (1 + tgx)2 dx
π
4
Câu 14. Chứng minh các đẳng thức sau:
1
1 x tgx cot gx
dt dt tdt dt
a. ∫ 1 + t 2 = ∫ 1 + t 2 , ( x > 0)
x 1
b. ∫1+ t2 +
1
∫ 1 t (1 + t 2 )
=1
e e
sin 2 x cos 2 x
π
c. ∫ arcsin
0
t dt + ∫ arccos
0
t dt =
4
102
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 15. Tính các tích phân sau bằng phương pháp tích phân từng phần:
π
e2 e
a. ∫ cos(ln x)dx
1
b. ∫ ln x dx
1
e
π π
3 3
x sin x xdx
c. ∫ cos2 x dx
0
d. ∫
π sin
2
x
4
Câu 16. Tính các tích phân sau:
π π
2 2
a. An = ∫ cos x sin nxdx n
(n > 1) b. Bn = ∫ cosn x cos nxdx (n > 1)
0 0
π
e
cos(2n + 1) x
c. Cn = ∫ ln n xdx (n > 1) d. Dn = ∫ dx
1 0
cos x
π π
e. En = ∫ sin x cos(n + 1) xdx
n −1
f. I m, n = ∫ sin m x cosn xdx
0 0
1
g. J m, n = ∫ x m (1 − x)n dx
0
Câu 17. Chứng minh rằng:
π π
2 2
1
a. ∫ cosn x cos(n + 2) xdx = 0 , n ∈ N * b. ∫ cosn x sin(n + 2) xdx = , n ∈ N*
0 0
n +1
Câu 18. Tính các tích phân sau bằng cách sử dụng hỗn hợp các phương pháp:
5 4
2 2 3
x 9 dx x15dx
a. ∫ (1 + x5 )3 b. ∫ c. ∫x 1 + x 2 dx
5
2
0 0
(1 + x )
8 5 0
π π
ln 5
4
x sin x 2
dx ex ex − 1
d. ∫ cos3 x dx
0
e. ∫ 2 cos x + 3
0
f. ∫
0 ex + 3
dx
2 16
dx
g. ∫ h. ∫ arctg x − 1dx
0 x + 1 + ( x + 1)3 1
π
1
2
sin x cos xdx ln(1 + x)
i. ∫ a 2 cos2 x + b2 sin 2 x
0
j. ∫
0
1 + x2
dx
103
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 19. So sánh các tích phân sau:
1 1
a. I1 = ∫ e − x dx và I 2 = ∫ e − x dx
2
0 0
π 2π
b. J1 = ∫ e cos xdx và J 2 = ∫ e− x cos2 xdx
− x2 2
2
0 π
1 1
sin x cos x
c. K1 = ∫ dx và K 2 = ∫ dx
0 1 − x2 0 1 − x2
Câu 20. Chứng minh các bất đẳng thức:
1
1 2
dx π 1
dx
a. 1) d. 0
2a − x
e. y = e− x sin x và y=0 , x≥0 f. x = 0 và x = y 2 ( y − 1)
x2 y 2 x2 y 2
g. + =1 và + =1
a 2 b2 b2 a 2
104
Chương 4: Phép tính tích phân
Câu 23. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường cho bởi phương
trình tham số.
a. x = 3t 2 , y = 3t − t 3
c2 c2 3
b. x = cos t , y = sin t , c 2 = a 2 − b 2
3
a b
c. x = a ( 2 cos t − cos 2t ) , y = a ( 2 sin t − sin 2t )
Câu 24. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường cho trong toạ độ cực.
a. r 2 = a 2 cos 2ϕ b. r 2 + ϕ 2 = 1
p π π
c. r = a cos 5ϕ d. r= , ϕ= , ϕ=
1 − cos ϕ 4 2
Câu 25. Tính độ dài đường cong cho bởi phương trình.
⎧ c2
⎪ x = cos t
3
π ⎪ a
a. y = ln cos x , 0 ≤ x ≤ a < b. ⎨
2 2
⎪ y = c sin 3 t , c 2 = a 2 − b 2
⎪
⎩ b
⎧ x = a(cos t + t sin t )
c. ⎨ d. ϕ = r , 0≤r≤5
⎩ y = a(sin t − t cos t ) , 0 ≤ t ≤ 2π
p π
e. r= , ϕ
0
a b a
b. x 2 + y 2 + z 2 = a 2 , x 2 + y 2 = a 2 , a > 0
c. z 2 = b(a − x) , x 2 + y 2 = ax , a, b > 0
Câu 27. Tính thể tích của vật thể tròn xoay tạo ra khi quay các miền phẳng
giới hạn bởi các đường sau đây xung quanh trục tương ứng.
2
⎛ x ⎞3
a. y = b⎜ ⎟ , 0 ≤ x ≤ a quanh trục Ox
⎝a⎠
b. y = sin x , y=0 , 0≤ x ≤π quanh trục Oy
c. x 2 + ( y − b) 2 = a 2 , 0 < a ≤ b quanh trục Ox
105
Chương 4: Phép tính tích phân
d. y = x 2 , y=4 quanh đường x = 2
Câu 28. Tính diện tích mặt tròn xoay khi quay cung đường cong quanh trục
tương ứng.
a. 3 y − x3 = 0 , 0 ≤ x ≤ a quanh trục Ox
π
b. y = tgx , 0≤ x≤ quanh trục Ox
4
⎧ x = a(t − sin t )
c. ⎨ quanh trục Oy
⎩ y = a(1 − cos t ) , 0 ≤ t ≤ 2π
Câu 29. Tính các tích phân suy rộng sau
+∞ +∞ +∞
dx arctgx dx
a. ∫x 1 + x2
b. ∫ 3
dx c. ∫1+ x 3
a2 0
(1 + x ) 2 2 0
+∞ +∞ +∞
dx
d. ∫x e. ∫e f. ∫ x e dx
2
− x 3 −x
dx
2 x2 − 1 0 0
+∞ +∞ − x +∞
e
g. ∫ x e dx h. ∫ i. ∫x e
n −x 2 −x2
dx dx
0 0 x 0
+∞
sin 2 x
j. ∫ x
dx
0
+∞ +∞
π sin x π
Câu 30. Biết ∫ e dx = và ∫
2
−x
dx =
02
2 0
x 2
Xét sự hội tụ hay phân kì của các tích phân
+∞ +∞
xm
a. ∫ 1 + x n dx
0
(n ≥ 0 , m, n ∈ N ). b. ∫ x λ e− βx dx (a, λ , β > 0)
a
+∞ +∞ +∞
e. ∫ 1 −34 sin 2 x dx
xdx ln x
c. ∫
0 e2 x − 1
d. ∫
x
1 x2 − 1
dx
1 x +3 x
Câu 31. Tính các tích phân suy rộng
π
3 2 1
dx arcsin x
a. ∫
1 4x − x2 − 3
b. ∫ ln(sin x)dx
0
c. ∫0
x
dx
106
Chương 4: Phép tính tích phân
π
1 1
2
ln x (1 − x) n
d. ∫ x cot gxdx
0
e. ∫
0 1 − x2
dx f. ∫ x dx
0
1
0 1
h. ∫ ln(23 −
3
ex
x)
g. ∫1 x3 dx
− −1 x
dx
Câu 32. Xét sự hội tụ hay phân kì của các tích phân sau
1 1 π
dx dx dx
a. ∫ e x − cos x
0
b. ∫e
0
x
−1
c. ∫ sin
0
k
x
π
2 1 1
dx q 1 x
d. ∫ sin p x cosq x e. ∫ x ln x dx f. ∫
p
dx
0 0 0 1 − x4
4.5 HƯỚNG DẪN VÀ ĐÁP SỐ BÀI TẬP CHƯƠNG IV
ax 2 1 3
Câu 1. a. − +C b. x − x + arctgx + C
ln a x 3
c.
aαxb βx
α ln a + β ln b
+C d.
1
3(b − a )
{ ( x − a) 3
}
− ( x − b)3 + C
1 2
e. ln x 5 + x10 − 1 + C f. (1 + ln x)3 + C
5 3
g. 2 x3 + 2 x − 1 + C h. tg (1 + ln x ) + C
2
i. − 2 1 − x2 − (arcsin x)3 + C j. 1 − x 2 + arcsin x + C
3
k.
3
[
2 3
]
x − ( x 2 − 1)3 − x + C (Nhân cả tử và mẫu với ( x − x 2 − 1) 2 )
l. −
1
9
{ }
1 − 9 x 2 + (arccos 3 x)3 + C (Tương tự bài i)
1 2x − 3
m. ln +C
12 2 x + 3
1 2x + 1
n. arctg +C
4 2
107
Chương 4: Phép tính tích phân
x − 1 ( x − 1) 3 + 2 x − x 2
o. 2 arcsin − +C
2 2
1 1 3
p. (2 x − 1) 3 x 2 − 3 x + 1 + ln 3 x 2 − 3 x + 1 + ( 2 x − 1) + C
4 8 3 2
1
q. ln(2 x + 1 + 4 x 2 − 4 x − 3 ) + C
2
1 3x − 1
r. arcsin +C
3 3
8 + 30 x
Câu 2. a. − (2 − 5 x) 2 + C (Đặt 2 − 5 x = t
375
1 ⎧1 1 1⎫
b. ⎨ (1 + 2 x ) − (1 + 2 x ) + ⎬(1 + 2 x ) + C
2 20 2 10 2 110
(Đặt t = (1 + 2 x 2 )10 )
16 ⎩13 6 11 ⎭
⎛1⎞
d⎜ ⎟
1 + 1 + x2 dx ⎜ x⎟
c. − ln +C (Biến đổi = ⎝ ⎠ )
x x 1 + x2 1
1+ 2
x
1
d. − arcsin +C
x
e. 2 arcsin x + C
f. ln ln(ln x) + C (Đặt ln(ln x ) = t )
g. arctg 3x 2 + 5 + C (Đặt t = 3x 2 + 5 )
1 3x − 2 x
h. ln x +C
2(ln 3 − ln 2) 3 + 2 x
Câu 3. a. − x + (1 + x ) arctg x + C
b. x(arcsin x)2 + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C
c. xchx − shx + C d. x{(ln x − 1) 2 + 1}+ C
e. − x cot gx + ln sin x + C f. 2 1 + x arcsin x + 4 1 − x + C
x ln x + 1
g. (cos ln x + sin ln x) + C h. − +C
2 x
108
Chương 4: Phép tính tích phân
1⎛ x ⎞ 1
i. − ⎜ 2 + cot gx ⎟ + C j. − (ln 2 x + 2 ln x + 2) + C
2 ⎝ sin x ⎠ x
1 − x2 1 + x 2x − 1
k. x − ln +C l. xarctg 2 x − 1 − +C
2 1− x 2
x 1
m. 1 + x 2 ln( x + 1 + x 2 ) − x + C n. − + arctgx + C
2(1 + x ) 2
2
x 1 x x −1
o. + 3 arctg + C , (a ≠ 0) p. e arctgx + C
2a ( a + x ) 2a
22 2
a 2 1+ x 2
x
q. − {x + cot gx ln(e sin x)} + C r. 4 2 + x − 2 2 − x arcsin +C
2
x3 x 1 + x2 1
Câu 4. a. − a 2 x + a 2 arctg + C b. ln + arctgx − +C
3 a x +1 x +1
1⎧ x+2 ⎫
c. − ⎨ 2 + arctg ( x + 1)⎬ + C (Phân tích x 2 + 2 x + 1 = ( x + 1)2 + 1 )
2 ⎩ x + 2x + 2 ⎭
1 ⎛ 1⎞
1− d ⎜1 + ⎟
1 x − 2x + 1
2
x −1
2 2
x dx = ⎝ x⎠
d. ln +C (Biến đổi dx = )
2 2 x2 + 2x + 1 x +1
4
1 ⎛ 1⎞
2
x + 2
2
⎜x+ ⎟ −2
x ⎝ x⎠
x3 + 2 x
e. +C
6( x 4 + x 2 + 1)
Phân tích x 4 + x 2 + 1 = ( x 2 + 1) 2 − x 2 = ( x 2 + x + 1)( x 2 − x + 1)
1 x2 + 2x + 1 1
f. ln + arctg ( 2 x + 1) + arctg ( 2 x − 1) + C
4 2 x − 2x + 1 2 2
2
1 x+ 2 x− 2
Phân tích = −
x + 1 2 2 ( x + 2 x + 1) 2 2 ( x 2 − 2 x + 1)
4 2
1 ⎛ x 10 1 ⎞
g. ⎜ ln + ⎟+C
10 ⎜ x 10 + 1 x 10 + 1 ⎟
⎝ ⎠
1 1 x9 x9
Phân tích = − 10 − 10
x( x10 + 1) 2 x x + 1 ( x + 1) 2
1
h. arctgx + arctgx 3 + C
3
109
Chương 4: Phép tính tích phân
x4 + 1 ( x 4 − x 2 + 1) + x 2 1 x2
Phân tích = 2 = 2 + 6
x 6 + 1 ( x + 1)( x 4 − x 2 + 1) x + 1 x + 1
1 + x2 + 1
Câu 5. a. − ln +C Đặt x = tgt
x
at a t2 + t 2 +1 a t2 −1
b. − + ln + arctg +C
1+ t4 4 2 t2 − t 2 +1 2 2 t 2
x
Với t = 4 và xem kết quả bài 4.f.
a−x
1 x 1 2
c. x + ln( x + x + 1) + − x + x +C Đặt x + x + 1 = t
2 2 2
3 3 x +1 x −1
d. − +C Đặt 3 =t
2 x −1 x +1
x + 2 + 2( x 2 + 2 x + 2)
e. x + 2 x + 2 + ln( x + 1 + x + 2 x + 2 ) − 2 ln
2 2
+C
x
x2 + 2x + 2 1 2x + 2 1 2
Biến đổi = + +
x 2 x2 + 2x + 2 x2 + 2x + 2 x x2 + 2x + 2
dx x + 2 + 2( x 2 + 2 x + 2)
Tính ∫x x2 + 2x + 2
= 2 ln
x
+C
1
bằng cách đặt x=
t
f. ( x − 2) 1 − x − arcsin x + C
1− u
Hai bước đổi biến : u = x , t =
1+ u
1 (1 + t ) 2 (t 2 + t − 1) 3 3t
Câu 6. a. ln + arctg +C Với t = 3 sin x
4 (1 − t ) (t − t + 1) 2
2 2
1− t2
b. tgx + C Đặt t = tgx
x
1 + cos
4 x 2 +C x
c. + 2arctg cos − ln Đặt t 2 = cos
x 2 x 2
cos 1 − cos
2 2
110
Chương 4: Phép tính tích phân
1 (1 + t 2 ) 2 3 2t 2 − 1
d. ln + arctg +C Đặt t = 3 tgx
4 t4 − t2 +1 2 3
1 4 ⎛ x arctg 2 ⎞ x
e. − (2 sin x + cos x) + ln tg ⎜ + ⎟ +C Đặt tg =t
5 5 5 ⎝2 2 ⎠ 2
1 2 + sin 2 x
f. ln +C Đặt tgx = t
2 2 2 − sin 2 x
t 3 t
g. − + arctg +C với t = tgx
4(t + 2) 4 2
2
2
1 sin( x + b)
h. ln +C Biểu diễn sin(a − b) = sin{( x + a) − ( x + b)}
sin(b − a) sin( x + a )
x−a
sin
1 2 +C ⎧x − a x + a⎫
i. ln Biểu diễn cos a = cos ⎨ − ⎬
cos a cos x + a ⎩ 2 2 ⎭
2
1 1 ⎛x π⎞
j. (sin x − cos x) − ln tg ⎜ + ⎟ + C
2 2 2 ⎝2 2⎠
1 1
Biểu diễn sin x cos x = (sin x + cos x) 2 −
2 2
1 1 sin x − cos x
k. − ln(sin x + cos x + 2 + sin 2 x ) + arcsin +C
2 3 3
1
Biểu diễn sin x = {(sin x + cos x) + (sin x − cos x)}
2
2 + sin 2 x = 1 + (sin x + cos x) 2 = 3 − (sin x − cos x) 2
1
Câu 7. a. x − coth x + C Sử dụng coth 2 x = 1 +
sh 2 x
1 1 1
b. ch6 x − ch 4 x − ch 2 x + C
24 16 8
ch 2 x − 1
c. 2 chx −1 + C Biểu diễn chx + 1 =
chx − 1
shx − 2
d. +C
chx
x2 x
Câu 8. 8. a. +C
3
111
Chương 4: Phép tính tích phân
⎧ 1 3
⎪x + 4 x + 1 + C , x > 1
⎪
b. ⎨
⎪1 x x − x + C , x ≤1
⎪2
⎩
⎧1 1
⎪2 x + 2 + C
⎪ ⎧1 , x ≤ 1
⎪
c. ⎨ Max(1, x ) = ⎨
⎪− 1 x − 3 + C ⎪x , x >1
⎩
⎪ 2
⎩ 2
1 1
d. ( x + 1) x + 1 + (1 − x ) 1 − x + C
2 2
achax cos sbx + bshax sin bx
e. +C
a 2 + b2
Câu 9. a. [
I n = x ln n x − n x ln n −1 x − ( n − 1) I n − 2 ]
[ ]
= x ln n x − n ln n −1 x + n(n − 1) ln n − 2 x + ... + (−1) n −1 n(n − 1)...2 ln x + (−1) n n + C
[
I 2 = x (ln x − 1) + 1 + C
2
]
b. Jn =
1
n
[ ]
(n − 1) J n − 2 − cos x sin n −1 x + C
2 1
J 5 = − cos x + cos3 x − cos 5 x + C
3 6
sin x n
c. Kn+2 = n +1
+ Kn
( n + 1) cos x n + 1
3 1
K 7 = sin x − sin 3 x + sin 5 x − sin 7 x + C
5 7
1 2n − 3
d. Ln = 2 n −1
− Ln −1
2(n − 1)a ( x − a )
22
2(n − 1)a 2
5
3
Câu 10. a. f ( x) = ( x − 1) 3 + C Đặt x3 + 1 = t
5
⎧ln x + 1 + C
b. f ( x) = ⎨ Đặt ln x = t
⎩x + C
1 5 2 3
c. f ( x) = x − x + x+C Đặt sin 2 x = t
5 3
b−a
ξ i = xi xi +1 b m +1 − a m + 1
Câu 11. a. ab Lấy b.
m +1
112
Chương 4: Phép tính tích phân
a −1 ln 2 b − ln 2 a
c. 1 d. e.
ln a 2
Câu 12. a. 5 ln 4 − ln 6 − 1 b. 1
π π
c. d.
2 ab 2 sin α
π π
e. f.
3 6n
π π π2
arctg 2 2−
Câu 13. a. 2 b. 2 c. 4
3 1 3 1
d. e. arctg (Đặt t = x− )
24 2 2 2 x
π 1
f. g. arctg
4 2
e + 1 + e2 4π
h. ln i. − 3
1+ 2 3
a (π − 2) 3
j. (Đặt x = a sin 2 t ) k. 1−
4 2
π
e 2 −1
Câu 15. a. b. 2(1 − e −1 )
2
⎛ 2π 5π ⎞ π (9 − 4 3 ) 1 3
c. 2⎜ − ln tg ⎟ d. + ln
⎝ 3 12 ⎠ 36 2 2
1 n
2k ⎛ 1 ⎞
Câu 16. An = ∑
2n +1 k =1 k
⎜ 2 An = + An −1 ⎟
⎝ n ⎠
π
Bn =
2 n +1
Cn = e[1 + n + (n − 1)n + ... + 3.4...(n − 1)n] − n!
Dn = (−1) n π
En = 0
113
Chương 4: Phép tính tích phân
⎧ (n − 1)!!
⎪ nÕu n lÎ
⎪ (m + n)(m + n − 2)...(m + 3)(m + 1)
⎪ (m − 1)!!
I m, n =⎨ nÕu m lÎ
⎪ (m + n)(m + n − 2)...(n + 3)(n + 1)
⎪ (n − 1)!!(m − 1)!! π
⎪ nÕu m, n ch½n
⎩ (m + n)!! 2
Công thức truy toán .
n −1 m −1
I m, n = I m, n − 2 = I m − 2, n
m+n m+n
m!n!
I m, n = Đặt x = sin 2 t
(m + n + 1)!
2 5
Câu 18. a. b. (5 + 75 53 )
45 192
848 π 1
c. d. −
105 4 2
2 1
e. arctg f. 4 − π
5 5
π 16π
g. h. −2 3
6 3
j. π ln 2
1 a
i. ln
a −b
2 2
b 8
Câu 19. a. I1 > I 2 b. J1 > J 2
(Sử dụng định lí trung bình tổng quát)
c. K 2 > K1
3π
(Chứng minh K1 < 1 , K 2 > )
8
x2
Dùng bất đẳng thức sin x ≤ x , cos x ≥ 1 − , x ∈ (0,1)
2
1 1 π
Câu 21. a. b. c.
2 e 6
2 π
d. 2 e. f.
3 3
9 1 4a 3
Câu 22. a. b. 2− c.
2 ln 2 3
114
Chương 4: Phép tính tích phân
1 π 1
d. 3πa 2 e. coth f.
2 2 12
b
g. 4 ab arctg
a
72 3 3π c 4
Câu 23. a. b. c. 6πa 2
5 8 ab
2 πa 2
Câu 24. a. a2 b. c.
3 4
p2
d. (3 + 4 2 )
6
⎛π a ⎞ 4( a 3 − b 3 )
Câu 25. a. ln tg ⎜ + ⎟ b. c. 2π 2 a
⎝ 4 2⎠ ab
d.
19
3
[
e. p 2 + ln(1 + 2 ) ]
2 2a 3 ⎛ 4⎞ 16a 2
Câu 26. a. abc b. ⎜π − ⎟ c. ab
3 3 ⎝ 3⎠ 15
3π 2
Câu 27. a. ab b. 2π 2
7
128
c. 2π 2 a 2b d. π
3
π⎡ ⎤ ⎡ (1 + 2 )( 5 − 1) ⎤
3
Câu 28. a. ⎢ (1 + a 4 ) 2 − 1⎥ b. π ⎢ 5 − 2 + ln ⎥
9⎢
⎣ ⎥
⎦ ⎣ 2 ⎦
c. 16π 2 a 2
1 + 1 + a4 π 2π
ln −1
Câu 29. a. a2 b. 2 c. 3 3
π 1
d. e. 2 f.
4 2
π
g. n! h. π i.
4
π
j.
2
Câu 30. a. Hội tụ khi n − m > 1 b. Hội tụ c. Hội tụ
d. Hội tụ e. Hội tụ
115
Chương 4: Phép tính tích phân
π π
Câu 31. a. π b. − ln 2 c. ln 2
2 2
π π (2n)!!
d. ln 2 e. − ln 2 f. 2
2 2 (2n + 1)!!
(Đặt x = sin 2 t )
2 9
g. − h. 6 − ln 3
e 2
Câu 32. a. Phân kì b. Hội tụ
c. Hội tụ khi k < 1 , phân kì khi k ≥ 1
d. Hội tụ khi p < 1, q < 1
e. Hội tụ khi p > − 1 , q > −1
f. Hội tụ.
116
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
3.
4.
5. CHƯƠNG V: LÝ THUYẾT CHUỖI
5.1 MỤC ĐÍCH
Bài toán tính giá trị gần đúng của một hàm số tại điểm x1 gần với điểm x0
mà giá trị f(x0) đã biết rất hay gặp trong thực tế: bài toán lập biểu đồ, bài toán
nội suy,.... Việc tính toán trở nên đơn giản nhờ các phép tính cơ bản +, -, ., / và
luỹ thừa khi đã khai triển hàm số thành chuỗi Taylor. Việc biểu diễn một tín
hiệu phức tạp thành các tín hiệu đơn giản hoặc các sóng phức tạp thành các
sóng đơn giản chính là nhờ vào việc khai triển một hàm số thành chuỗi Fourier.
Để có được cơ sở giải thích cho các bài toán dạng trên cần nắm vững các nội
dung của lý thuyết chuỗi.
Trong mục thứ nhất cần nắm vững các khái niệm: hội tụ, phân kì của chuỗi
số. Luôn luôn ghi nhớ điều kiện cần của sự hội tụ để nhận biết về khả năng phân
kì của chuỗi số. Khi xem xét các tính chất của chuỗi số hội tụ phải nghĩ ngay
xem các chuỗi phân kì có tính chất đó không. Điều này hoàn toàn giống như các
dãy số hội tụ, các hàm liên tục, các hàm khả vi,....Phải nhận biết số hạng tổng
quát của chuỗi số để phân loại được các đặc tính của chuỗi số: chuỗi số dương,
chuỗi số đan dấu hay chuỗi số có dấu bất kì để từ đó sử dụng các tiêu chuẩn thích
hợp để kết luận về sự hội tụ của nó. Đối với chuỗi số dương khi dùng tiêu chuẩn
so sánh phải luôn dùng đến chuỗi Riemann. Bên cạnh đó phải nắm vững các tiêu
chuẩn D’Alembert, tiêu chuẩn Cauchy, tiêu chuẩn tích phân Cauchy-McLaurin
để xem xét sự hội tụ, phân kì của chuỗi số dương. Đối với chuỗi đan dấu, có định
lí Leibnitz, định lí cho ta điều kiện đủ để nhận biết sự hội tụ của nó. Định lí này
đóng vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá sai số của nhiều bài toán tính gần
đúng. Trong định lí này, điều kiện dãy số (an) đơn điệu giảm là rất quan trọng,
nhiều sinh viên hay bỏ qua điều kiện này. Khi xem xét chuỗi số có số hạng mang
dấu bất kì trước hết nên xét sự hội tụ tuyệt đối của nó vì khi đó có thể lợi dụng
được các tiêu chuẩn hội tụ của chuỗi số dương.
Trong mục thứ hai cần nắm vững khái niệm miền hội tụ của chuỗi hàm vì
bài toán tìm miền hội tụ của chuỗi hàm là một trong các bài toán cơ bản. Khái
niệm hội tụ đều của chuỗi hàm là khái niệm rất khó cũng như khái niệm liên tục
của hàm số. Chính vì thế phải đọc kĩ và hiểu chính xác khái niệm này. Nhờ vào
116
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
sự hội tụ đều của chuỗi hàm mà có thể thực hiện được các phép tính giống như
các phép tính về tổng hữu hạn. Điều kiện đủ để nhận biết chuỗi hàm hội tụ đều
hay sử dụng là tiêu chuẩn Weierstrass.
Trong mục thứ ba cần nắm vững tính chất đặc biệt về miền hội tụ của
chuỗi luỹ thừa thông qua định lí Abel. Chính vì thế phải thuộc qui tắc tìm bán
kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa. Cần lưu ý cách tìm bán kính hội tụ của chuỗi luỹ
thừa cách. Biết cách áp dụng các tính chất của luỹ thừa: phép tính đạo hàm,
phép tính tích phân có thể tính được tổng của một số chuỗi hàm. Khai triển
Taylor tại lân cận x0 hoặc khai triển Maclaurin thực chất là cách biểu diễn hàm
số thành chuỗi luỹ thừa. Ý nghĩa thật rõ ràng: một hàm số được biểu diễn qua
một đa thức có bậc vô hạn, việc tính giá trị gần đúng của nó thông qua các phép
tính +, -, ., /, luỹ thừa. Tuy nhiên phải lưu ý đến điều kiện đủ để hàm số khai
triển thành chuỗi luỹ thừa. Cần nhớ khai triển các hàm số thông dụng thành
chuỗi McLaurin để từ đó nhờ vào phép đổi biến thích hợp có thể giải quyết các
bài toán khai triển thành chuỗi Taylor tại lân cận x0 mà không phải tính đạo
hàm. Chú ý rằng cũng nhờ vào khai triển Taylor mà có thể tính được tổng của
một số chuỗi số.
Trong mục thứ tư cần nắm vững công thức tính các hệ số Fourier của hàm
số f(x). Nắm vững các dạng chuỗi Fourier: dạng chuỗi lượng giác và dạng
phức. Nắm vững các dạng chuỗi Fourier khi hàm số có tính chất đặc biệt: hàm
chẵn, hàm lẻ, hàm tuần hoàn với chu kỳ T. Bên cạnh đó biết cách biểu diễn hàm
số đã cho theo các hàm sin hoặc cosin. Phải chú ý đến định lí Dirichlet - điều
kiện đủ khai triển hàm thành chuỗi Fourier và vận dụng định lí đó để tính tổng
của một chuỗi số.
5.2 TÓM TẮT NỘI DUNG
5.2.1 Chuỗi số
a. Các khái niệm chung
Định nghĩa chuỗi số và sự hội tụ của chuỗi số
1. Cho dãy số thực ( a n ) , an ∈ R với mọi n
Gọi a1 + a2 + ... + an + ... là một chuỗi số thực
∞
Kí hiệu chuỗi số trên là ∑ ak (1)
k =1
117
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Số thực ak với k xác định gọi là số hạng thứ k của chuỗi, với k
không xác định gọi là số hạng tổng quát của chuỗi .Sau đây là một vài
chuỗi số dạng đặc biệt :
∞
1 1 1 1 1
∑ (−1)
n =1
n −1
n
=1 − + − ... + ( −1) n −1 + ...
2 3 n
có số hạng tổng quát là (−1) n −1
n
∞
∑ (−1)
n =1
n −1
= 1 − 1 + 1 − 1 + ... + (−1) n −1 + ...
∞
1 1 1 1 1
∑2
k =0
k
= 1+ + + + ... + k + ...
2 4 8 2
gọi là chuỗi cấp số nhân có công bội là
1
.
2
∞
1 1 1
∑ n = 1 + 2 + ... + n + ... gọi là chuỗi điều hoà .
n =1
∞
1 1 1 1
∑ nα
n =1
= 1+
2α
+ α + ... + α + ...
3 n
gọi là chuỗi Riemann với tham số α .
2. Cho chuỗi số (1). Gọi tổng riêng thứ n của chuỗi (1) là
n
S n = ∑ ai
i =1
Nếu lim S n = S
n→∞
(hữu hạn) thì nói rằng chuỗi số (1) hội tụ và có tổng
∞
là S, khi đó kí hiệu ∑a
i =1
i =S. Nếu không xảy ra điều trên nói rằng chuỗi
(1) phân kì .
3. Nếu chuỗi (1) hội tụ về S thì gọi Rn = S − S n là phần dư thứ n của chuỗi.
Theo trên suy ra: Để chuỗi (1) hội tụ về S thì cần và đủ là phần dư Rn hội
tụ về 0.
Điều kiện hội tụ của chuỗi số
Từ điều kiện Cauchy cho dãy số hội tụ suy ra.
Định lí 1: Để chuỗi số (1) hội tụ thì cần và đủ là
∀ε > 0 , ∃n0 : ∀n > n0 , ∀p , n, p ∈ N *
⇒ an + an +1 + ... + an + p < ε
118
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Từ định nghĩa về sự hội tụ của chuỗi số suy ra:
Định lí 2: Điều kiện cần của chuỗi số hội tụ là số hạng tổng quát an
dần đến 0 khi n → ∞ : n → ∞ an = 0
lim
Tính chất của chuỗi số hội tụ
1. Tính chất hội tụ hay phân kì của chuỗi số vẫn giữ nguyên khi thay đổi
hữu hạn số hạng đầu tiên của chuỗi .
∞
2. Nếu chuỗi (1) hội tụ về S thì chuỗi ∑ λa hội tụ về
i =1
i λS
Thật vậy nếu gọi tổng riêng thứ n của (5.1) là Sn thì
n n
∑ λai = λ ∑ ai = λSn
i =1 i =1
∞
∑ λa
i =1
i = λS
∞ ∞
3. Nếu các chuỗi ∑ ai và ∑ bi hội tụ tương ứng về A và B thì chuỗi
i =1 i =1
∞
∑ (a
i =1
i + bi ) hội tụ về A+B.
n n n
Thật vậy ∑ (ai + bi ) = ∑ ai + ∑ bi
i =1 i =1 i =1
∞
Qua giới hạn sẽ có ∑ (ai + bi ) = A + B
i =1
b. Chuỗi số dương
∞
Sau đây xét chuỗi số ∑ ai với ai ∈ R+
*
các kết quả sẽ được chuyển sang
i =1
∞
cho chuỗi số ∑ ai với ai ∈ R *−
i =1
Điều kiện hội tụ của chuỗi số dương
Định lí: Chuỗi số dương hội tụ khi và chỉ khi dãy tổng riêng của nó bị
chặn trên. S n ≤ M , ∀n ∈ N
Các tiêu chuẩn về sự hội tụ :
1. Các định lí so sánh.
∞ ∞
Cho 2 chuỗi số dương ∑ ai (a) và ∑ bi (b)
i =1 i =1
119
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Định lí 1: Giả sử an ≤ bn , ∀n ≥ n0 , n0 ∈ N *
Khi đó: Nếu chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) hội tụ .
Nếu chuỗi (a) phân kì thì chuỗi (b) phân kì .
an
Định lí 2: Giả sử lim =k
n→∞ bn
Khi đó: Nếu 0 < k < +∞ hai chuỗi (a) và (b) cùng hội tụ hoặc cùng
phân kì
Nếu k = 0 và chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) hội tụ.
Nếu k = ∞ và chuỗi (b) phân kì thì chuỗi (a) phân kì .
2. Các tiêu chuẩn hội tụ .
Tiêu chuẩn Đalămbe (D’Alembert).
⎛ an +1 ⎞
Gọi ( Dn ) = ⎜
⎜ ⎟
⎟ là dãy D’Alembert
⎝ an ⎠
Nếu tồn tại số q ∈ R+
*
sao cho Dn ≤ q < 1 thì chuỗi hội tụ
Nếu Dn ≥ 1 thì chuỗi phân kì
Định lí: Giả sử lim Dn = D
n→∞
khi đó:
Nếu D >1 thì chuỗi phân kì
D 1 thì chuỗi phân kì
C 0 , ∀k (2)
k =1
∞
hoặc ∑ (−1) k ak trong đó ak > 0 , ∀k gọi là chuỗi đan dấu.
k =1
∞
1 ∞
(−1) n
Chẳng hạn ∑ (−1)n .
n =0 n +1
, ∑ n2
n =1
là các chuỗi đan dấu
Điều kiện hội tụ của chuỗi đan dấu
Định lí Leibnitz.
Cho chuỗi (2) nếu dãy ( an ) thoả mãn các điều kiện :
- Dãy ( an ) đơn điệu giảm: an > an +1 , ∀n ∈ N
- lim an = 0
n→∞
Thì chuỗi (2) hội tụ về tổng S và S < a1
d. Chuỗi có số hạng mang dấu bất kì
Sự hội tụ tuyệt đối và bán hội tụ
∞
Cho chuỗi số bất kì ∑ ai , ai ∈ R (a)
i =1
∞
Lập chuỗi số dương ∑ ai (b)
i =1
1. Nếu chuỗi (a) hội tụ và chuỗi (b) phân kì thì nói rằng chuỗi (a) bán
hội tụ
121
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
2. Nếu chuỗi (a) và (b) cùng hội tụ thì nói rằng chuỗi (a) hội tụ tuyệt đối.
Định lí: Nếu chuỗi (b) hội tụ thì chuỗi (a) cũng hội tụ .
Một số tính chất của chuỗi bán hội tụ và hội tụ tuyệt đối
1. Nếu chuỗi đã cho là bán hội tụ thì có thể lấy số S * tuỳ ý (hữu hạn
hoặc vô hạn) để sao cho khi thay đổi vị trí các số hạng được chuỗi mới hội tụ
về S * . Nói cách khác, trong trường hợp này tính chất giao hoán , tính chất
kết hợp không còn đúng đối với tổng vô hạn.
2. Nếu chuỗi đã cho hội tụ về S và là hội tụ tuyệt đối thì chuỗi mới
nhận được bằng cách thay đổi vị trí các số hạng hoặc bằng cách nhóm một
số hữu hạn các số hạng lại cũng hội tụ về S và cũng là hội tụ tuyệt đối. Nói
cách khác trong trường hợp này tính chất giao hoán và kết hợp được giữ
nguyên đối với chuỗi vô hạn
∞ ∞
3. Cho hai chuỗi số ∑ ai vµ ∑ bi
i =1 i =1
Lập bảng số a1b1 a2b1 a3b1 ... ak b1 ...
a1b2 a2b2 a3b2 ... ak b2 ...
.........................................
a1b j a 2b j a3b j ... ak b j ...
Lập dãy số (u n ) với u1 = a1b1 , u2 = a1b2 + a2b1 , ...
(vn ) với v1 = a1b1 , v2 = a1b2 + a2b2 + a2b1 , ...
∞ ∞
Các chuỗi ∑ un vµ ∑ vn gọi là chuỗi tích của hai chuỗi đã cho.
n =1 n =1
Nếu hai chuỗi đã cho hội tụ tương ứng về S1 , S2 và là hội tụ tuyệt
đối thì các chuỗi tích của chúng hội tụ về S1 . S2 và là hội tụ tuyệt đối.
5.2.2 Chuỗi hàm
a. Các khái niệm chung về chuỗi hàm
Định nghĩa chuỗi hàm
Cho dãy hàm thực ( f n ( x) ) , x ∈ ( a, b) ,
∞
gọi f1 ( x) + f 2 ( x) + ... + f n ( x) + ... = ∑ f k ( x) (3)
k =1
là một chuỗi hàm xác định trên (a,b).
122
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Miền hội tụ của chuỗi hàm
∞
1. Điểm x0 ∈ (a, b) là điểm hội tụ của chuỗi hàm nếu chuỗi số ∑ f n ( x0 )
n =1
hội tụ .
2. Tập X các điểm hội tụ của chuỗi hàm gọi là miền hội tụ của chuỗi hàm.
n
3. Hàm số S n ( x) = ∑ f k ( x) víi x ∈ ( a, b) gọi là tổng riêng thứ n chuỗi hàm.
k =1
Chuỗi hàm gọi là hội tụ về S ( x) víi x ∈ X nếu lim S n ( x) = S ( x), ∀x ∈ X . Trong
n →∞
∞
trường hợp này kí hiệu ∑ f n ( x) = S ( x) , x∈ X
n =1
∞
4. Nếu chuỗi hàm ∑ f n ( x) hội tụ trên tập X thì nói rằng chuỗi hàm
n =1
∞
∑f
n =1
n ( x) hội tụ tuyệt đối trên tập X .
b. Sự hội tụ đều của chuỗi hàm
Định nghĩa
1. Dãy hàm ( f n (x) ) được gọi là hội tụ đều về hàm f (x ) trên tập X nếu như
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ f n ( x) − f ( x) < ε , ∀x ∈ X
2.Chuỗi hàm (3) được gọi là hội tụ đều về hàm S (x ) trên X nếu dãy
tổng riêng của nó hội tụ đều về S (x ) trên X .
Nghĩa là: ∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ Sn ( x) − S ( x) < ε , ∀x ∈ X
Vậy nếu chuỗi hội tụ đều về S (x ) thì phần dư Rn ( x) = S ( x) − S n ( x) sẽ hội
tụ đều về 0, tức là:
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) , ∀n > n0 ⇒ Rn ( x) < ε , ∀x ∈ X
Trong trường hợp chuỗi hội tụ đều về hàm S (x ) trên (a,b) thường kí hiệu
∞
∑f
n =1
n ( x ) ⇒ S ( x ) , x ∈ ( a, b)
Các tiêu chuẩn về sự hội tụ đều của chuỗi hàm
1. Tiêu chuẩn Cauchy.
Định lí: Giả sử (Sn (x)) là dãy tổng riêng của chuỗi hàm. Để chuỗi
hàm hội tụ đều trên tập X điều kiện cần và đủ là:
123
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
∀ε > 0 , ∃n0 (ε ) ∈ N , ∀n > n0 , ∀p ∈ N
⇒ S n + p ( x ) − S n ( x) < ε , ∀x ∈ X
2. Tiêu chuẩn Weierstrass.
Định lí: Giả sử các số hạng của chuỗi hàm thoả mãn bất đẳng thức
f n ( x) ≤ an , ∀x ∈ X
∞ ∞
và chuỗi số ∑ an hội tụ . Khi đó chuỗi hàm ∑ f n ( x) hội tụ tuyệt đối và
n =1 n =1
đều trên tập X
Các tính chất của chuỗi hàm hội tụ đều
Định lí 1: Cho chuỗi hàm (3), các hàm số fi ( x) , (i = 1,2,...) liên tục
trên tập X và hội tụ đều về S (x ) trên X thì S (x ) liên tục trên X
Định lí 2: Cho chuỗi hàm (3) hội tụ đều về S (x ) trên [a, b] và các hàm
f i ( x) , (i = 1,2,...) liên tục trên [a, b] thì
b ∞ b
∫ S ( x)dx = ∑ ∫ fi ( x)dx
a i =1 a
Định lí 3: Nếu chuỗi hàm (2) hội tụ về hàm S (x ) trên tập X và các
hàm fi (x) thoả mãn:
+ f i ' ( x) liên tục trên X , ∀i = 1,2,...
∞
+ ∑ fi ' ( x) hội tụ đều về R (x ) trên X
i =1
∞
Khi đó S ' ( x) = R ( x) = ∑ f i ' ( x) , x ∈ X
i =1
5.2.3 Chuỗi lũy thừa
a. Các khái niệm chung về chuỗi luỹ thừa
Định nghĩa chuỗi luỹ thừa
∞
Một chuỗi hàm có dạng ∑ ai x i , ai ∈ R , ∀i (4)
i =0
∞
hoặc ∑ ai ( x − a)i , a là hằng số
i =0
124
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Gọi là một chuỗi luỹ thừa. Trong chuỗi luỹ thừa trên ai là các hằng số
(i = 1,2,...) gọi là các hệ số của chuỗi luỹ thừa.
Tính chất hội tụ của chuỗi luỹ thừa
Định lí Aben (Abel)
Nếu chỗi luỹ thừa (4) hội tụ tại x = x0 ≠ 0 thì hội tụ tuyệt đối tại
mọi điểm x thoả mãn x < x0
Nếu chuỗi luỹ thừa (4) phân kì tại x = x1 thì phân kì tại mọi điểm
x thoả mãn x > x1
Bán kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa
Định lí 1: Đối với chuỗi luỹ thừa (4) luôn tồn tại số R ≥ 0 để chuỗi
hội tụ tuyệt đối trong khoảng (− R, R ) , phân kì trong các khoảng
( −∞,− R ), ( R,+∞ ) . Số R thoả mãn điều kiện trên gọi là bán kính hội tụ của
chuỗi (5.16).
Định lí 2: (Qui tắc tìm bán kính hội tụ).
an + 1
Nếu lim
n →∞ a
= ρ hoÆc lim n an = ρ
n →∞
,
n
⎧1
⎪ ρ nÕu 0 < ρ < +∞
⎪
⎪
thì R = ⎨0 nÕu ρ = ∞
⎪∞ nÕu ρ = 0
⎪
⎪
⎩
R=0 nghĩa là chuỗi luỹ thừa chỉ hội tụ tại x = 0
R=∞ nghĩa là chỗi luỹ thừa hội tụ tại mọi x
Tính chất của chuỗi luỹ thừa
Giả sử chuỗi luỹ thừa (4) có bán kính hội tụ R > 0 và [a, b] là đoạn tuỳ
ý chứa trong khoảng (− R, R ) .
Tính chất 1. Chuỗi luỹ thừa hội tụ đều trên [a, b] .
Tính chất 2. Chuỗi luỹ thừa hội tụ đều về hàm S (x ) , liên tục trên
( − R, R )
125
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Tính chất 3. Bất kì x1, x2 trong khoảng ( − R, R ) luôn có
x2 ∞ ∞ x2
∫ ∑ an x dx = ∑ an ∫ x dx
n n
x1 n = 0 n=0 x1
x ∞ ∞
an n +1
Đặc biệt thì ∫ ∑ an x dx = ∑
n
∀x ∈ ( − R , R ) x
0 n =0 n =0 n + 1
'
⎛ ∞ ⎞ ∞
Tính chất 4. ∀x ∈ ( − R , R ) luôn có ⎜ ∑ an x n ⎟ = ∑ nan x n −1
⎝ n =0 ⎠ n =1
b. Khai triển một hàm số thành chuỗi luỹ thừa
Khái niệm về chuỗi Taylor của hàm số f (x ) ở lân cận x0
Giả sử hàm số f ( x) ∈ C ∞ tại lân cận điểm x0 . Chuỗi luỹ thừa có dạng
f ' ( x0 ) f ( n ) ( x0 )
f ( x0 ) + ( x − x0 ) + ... + ( x − x0 ) n + ...
1! n!
được gọi là chuỗi Taylor của f (x ) ở lân cận điểm x0
Giả sử hàm số f ( x) ∈ C ∞ tại lân cận điểm 0. Chuõi luỹ thừa biểu diễn
f ' (0) f ( n ) (0) n
trong dạng f (0) + .x + ... + .x + ...
1! n!
được gọi là chuỗi McLaurin của hàm số f (x ) . Đó chính là chuỗi
Taylor của f (x) ở lân cận của x = 0
Định lí: Nếu f (x ) biểu diễn dưới dạng chuỗi luỹ thừa ở lân cận của
x0 :
f ( x) = a0 + a1 ( x − x0 ) + ... + an ( x − x0 ) n + ...
Thì chuỗi đó là chuỗi Taylor của f (x ) ở lân cận của x0 .
Điều kiện đủ để hàm số khai triển thành chuỗi Taylor
Định lí 1: Cho f ( x) ∈ C ∞ ở lân cận x = x0 , để hàm f(x) khai triển được
thành chuỗi Taylor ở lân cận của x0 thì cần và đủ là phần dư Taylor rn (x)
dần đến không khi n → ∞
Định lí 2: Nếu f ( x) ∈ C ∞ ở lân cận của x = x0 và trong lân cận đó có
f ( k ) ( x ) ≤ M , ∀k ∈ N thì f (x ) khai triển được thành chuỗi Taylor ở lân cận x0 .
126
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
5.2.4 Chuỗi Phuriê (Fourier)
a. Các khái niệm chung
Chuỗi lượng giác
a0 ∞
Chuỗi hàm có dạng + ∑ an cos nx + bn sin nx (5)
2 n =1
trong đó a0 , an , bn , n = 1,2,... là các hằng số , được gọi là một chuỗi
lượng giác.
Điều kiện hội tụ của chuỗi lượng giác
∞ ∞
Định lí 1: Nếu các chuỗi số ∑ an , ∑ b hội tụ tuyệt đối thì chuỗi
n
n =1 n =1
lượng giác (5) hội tụ tuyệt đối và đều trên tập R.
Định lí 2: Nếu các dãy số (an ) , (bn ) đơn điệu giảm và hội tụ về 0 khi
n → ∞ thì chuỗi lượng giác (5) hội tụ trên tập X = R \ {2mπ , m ∈ Z }
Chuỗi Fourier
Cho hàm số f (x ) khả tích trên [− π ,π ] , chuỗi lượng giác có dạng
a0 ∞
+ ∑ ak cos kx + bk sin kx (6)
2 k =1
π π π
1 1 1
trong đó a0 =
π ∫ f ( x)dx , a
−π
k =
π ∫ f ( x) cos kxdx , b
−π
k =
π ∫ f ( x) sin kxdx ,
−π
k = 1,2,...
được gọi là chuỗi Fourier của hàm số f (x) , các hằng số tính theo công
thức trên gọi là các hệ số Fourier của hàm số f (x) .
Chuỗi Fourier trong dạng phức
Chuỗi Fourier có dạng
∞
c0 + ∑ ck eikx + c− k e − ikx
k =1
+∞ π
1
hay ∑c e
k = −∞
k
ikx
với c k =
π ∫π f ( x)e
− ikx
dx , k = 0 ± 1 , ± 2 , ± 3 ,...
−
gọi là chuỗi Fourier của hàm f (x ) trong dạng phức.
127
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Hàm số khai triển thành chuỗi Fourier
Nếu trong [− π ,π ] chuỗi Fourier (6) hội tụ về chính hàm số f (x) thì nói
rằng hàm số f (x) khai triển được thành chuỗi Fourier trên [− π ,π ] .
Định lí: Nếu f (x ) biểu diễn thành chuỗi lượng giác (5) trên [− π ,π ] và
∞ ∞
các chuỗi số ∑ ai , ∑ bi hội tụ tuyệt đối thì chuỗi đó chính là chuỗi Fourier
i =1 i =1
của f (x ) .
b. Điều kiện đủ để hàm số khai triển thành chuỗi Fourier
Định lí Đirichlê (Dirichlet): Nếu f (x) tuần hoàn với chu kỳ 2π , đơn
điệu từng khúc và bị chặn trên [− π ,π ] thì chuỗi Fourier của hàm số f (x)
hội tụ về tổng S (x ) trên tập R . Tổng S (x ) có tính chất:
1
S ( x) = [ f ( x − 0) + f ( x + 0)] , ∀x ∈ R
2
5.3 CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1. Định nghĩa chuỗi số, sự hội tụ, phân kì của chuỗi số.
Câu 2. Phát biểu chứng minh điều kiện cần của chuỗi số hội tụ.
Câu 3. Phát biểu các tính chất của chuỗi số hội tụ. Các tính chất đó còn
đúng không nếu các chuỗi số phân kì?
Câu 4. Định nghĩa chuỗi số dương. Phát biểu điều kiện cần và đủ để chuỗi
số dương hội tụ.
Câu 5. Phát biểu các định lí so sánh để nhận dạng sự hội tụ của chuỗi
số dương.
Câu 6. Phát biểu tiêu chuẩn D’Alembert về sự hội tụ của chuỗi số dương.
Câu 7. Phát biểu tiêu chuẩn Cauchy về sự hội tụ của chuỗi số dương.
Câu 8. Phát biểu tiêu chuẩn tích phân Cauchy-McLaurin về sự hội tụ của
chuỗi số dương.
Câu 9. Định nghĩa chuỗi số đan dấu. Phát biểu điều kiện đủ cho chuỗi đan
dấu hội tụ.
Câu 10. Định nghĩa sự hội tụ tuyệt đối, sự bán hội tụ của chuỗi số.
Câu 11. Định nghĩa chuỗi hàm. Miền hội tụ của chuỗi hàm là gì?
128
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Câu 12. Định nghĩa sự hội tụ đều của chuỗi hàm.
Câu 13. Phát biểu tiêu chuẩn Weierstrass về sự hội tụ đều của chuỗi hàm.
Câu 14. Phát biểu các tính chất của chuỗi hàm hội tụ đều.
Câu 15. Định nghĩa chuỗi luỹ thừa. Phát biểu định lí Abel.
Câu 16. Bán kính hội tụ chuỗi luỹ thừa là gì?
Câu 17. Nêu qui tắc tìm bán kính hội tụ của chuỗi luỹ thừa.
Câu 18. Nêu các tính chất của chuỗi luỹ thừa.
Câu 19. Định nghĩa chuỗi Taylor ở lân cận của x0 của hàm số f(x). Định
nghĩa chuỗi McLaurin của hàm số f(x).
Câu 20. Thế nào là hàm số khai triển được thành chuỗi Taylor ở lân cận của x0.
Câu 21. Nêu điều kiện cần và đủ để hàm số f(x) khai triển được thành chuỗi
Taylor ở lân cận của x0.
Câu 22. Phát biểu điều kiện đủ để hàm f(x) khai triển được thành chuỗi
Taylor ở lân cận x0.
Câu 23. Viết khai triển McLaurin các hàm số thường dùng.
Câu 24. Định nghĩa chuỗi Fourier của hàm số f(x).
Câu 25. Phát biểu điều kiện đủ để hàm số khai triển được thành chuỗi Fourier.
Câu 26. Viết chuỗi Fourier trong dạng phức.
Câu 27. Viết khai triển thành chuỗi Fourier của hàm số bất kì.
Câu 28. Viết khai triển theo các hàm số sin của hàm số f(x). Điều kiện để có
khai triển đó?
Câu 29. Viết khai triển theo các hàm số cosin của hàm số f(x). Điều kiện để
có khai triển đó?
Câu 30. Có một hay nhiều chuỗi Fourier của một hàm số cho trước trên
khoảng (a,b)
5.4 BÀI TẬP CHƯƠNG V
∞ ∞
Câu 1. Cho chuỗi số ∑ ak
k =1
biết rằng chuỗi số ∑ a hội tụ và chuỗi số
p =1
2p
∞
∑a
p =0
2 p +1 phân kỳ. Chứng minh chuỗi số đã cho phân kỳ.
129
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
Câu 2. Chứng minh rằng các chuỗi số có số hạng tổng quát sau đây hội tụ
và hãy tìm tổng của chúng
1 1
a. an = b. an =
(2n − 1)(2n + 1) n +n
2
2n + 1 2n + 1
c. an = d. an = (−1) n +1
n (n + 1) 2
2
n(n + 1)
Câu 3. Xét sự hội tụ của các chuỗi số có số hạng tổng quát sau đây:
n2 − n 2n + n
a. an = n 2 + n − n b. an = arctg c. an =
n2 + 1 3n + n3 + 3
1 n ( n + 2) 2 + cos n
d. an = ln(1 + tg ) e. an = f. an = ,α > 0
n2 n + 3 ln n
2
nα
1 1 2
− (1+ + ) n n2 2n
g. an = n n n2
h. an = ( ) i. an =
n + 1)
n
n2
π
n +1
1 2
cos 2 x dx
j. an =
n + (−1) n n
k. an = ∫ n2 + cos2 x dx
0
l. an = ∫ 1 x4 + x + 1
n+
2
2n ∞
dx
m. ∫ o. ∫e
−xn
an = 5
dx
n
x − sin x
2 2 o
∞
Câu 4. Cho chuỗi số dương ∑ a hội tụ. Chứng minh rằng chuỗi số
k =1
k
∞
∑ aα ,α > 1 cũng hội tụ
k =1
k
∞ ∞
Câu 5. Cho hai chuỗi số dương ∑ an , ∑ bn và tồn tại số tự nhiên n0 sao cho
n =1 n =1
∞
an +1 bn +1
∨ n ≥ n0 thoả mãn ≤ . Chứng minh rằng nếu chuỗi ∑ bn hội tụ thì chuỗi
an bn n =1
thứ nhất hội tụ .
Câu 6. Xét sự hội tụ của các chuỗi có số hạng tổng quát sau đây:
n
n2 32 ln(n!)
a. an = n b. an = c. an =
2 +n 2 3n
n!
n
1 2.4...( 2n) an
d. an = n!∏ sin e. an = f. an = , a>o
k =1 2k nn n2 + 1
130
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
n + 1) n ln n 1 n ln n
g. an = ( ) h. an = ( arctg ) n i. an =
2n − 1 n (ln n) n
Câu 7. Xét sự hội tụ của các chuỗi có số hạng tổng quát sau đây:
1 1 n −n
a. an = (−1) n (tg − sin ) b. an = (1 − )
n n ln n
(−1) n −1 (n + 1)
c. an = sin(π n 4 + 1 ) d. an =
n2 + n + 2
(−1) n 1
e. an = f. an = sin π ( + n)
n − ln n n
1 + (−1) n n (−1) n n 2
g. an = h. an =
1+ n (ln n) n
∞
1 2x + 1 n
Câu 8. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ n −1
( ) hội tụ đều trên đoạn [-,1].
n =1 2 x+2
∞
x2 + n
Câu 9. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ (−1)n
n =1 n2
hội tụ đều trên đoạn [a,b]
nhưng không hội tụ tuyệt đối trên đoạn đó.
∞
Câu 10. Chứng minh rằng chuỗi hàm ∑ ne − nx hội tụ đều trên [a,+ ∞ ) với a>0
n =1
nhưng không hội tụ đều trên [o,+ ∞ ).
∞
1
Câu 11. Cho chuỗi hàm ∑
1 + xn n =1
a. Tìm miền hội tụ của chuỗi hàm.
b. Xét sự liên tục của tổng S(x).
c. Xét sự khả vi của tổng S(x).
Câu 12. Tìm miền hội tụ đều của các chuỗi hàm
∞ ∞
a. ∑ b. ∑ n − x (−1) n
2
n xe − xn
n =1 n =1
∞
1
Câu 13. Chứng minh rằng hàm số f(x) = ∑ xác định, liên tục, khả vi
n =1 n( n + x)
trên [o,+ ∞ ]
Câu 14. Tìm miền hội tụ của chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng quát sau:
a. un ( x) = x n ln n b. un ( x) = ( nx ) n
131
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
n
xn ( x − 4) n ⎛ n +1 ⎞
c. un ( x) = (−1) n =1 d. un ( x) = e. un ( x) = ⎜ ⎟ ( x − 2)
2n
n n ⎝ 2n + 1 ⎠
(5 x) n xn xn
f. un ( x ) = g. un ( x) = (−1) n −1
h. u n ( x ) = α ,α > o
n! n! n
Câu 15. Tìm miền hội tụ và tính tổng các chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng
quát sau:
a. un ( x) = (3n + 1) x 3n , n ≥ 1 , b. u n ( x ) = ( 2 n + 3n ) x n , n ≥ o
n 2 + 3n − 1 x n
c. un ( x) = ,n ≥ o , d. un ( x) = chna.x n , a > o, n ≥ o
n + 3 n!
(−1) n +1 x n −1
e. un ( x) = ,n ≥ o
n
Câu 16. Khai triển thành chuỗi Taylor của các hàm số sau:
1
a. f(x) = tại lân cận điểm x=3.
x
b. f(x) = e x −1 tại lân cận điểm x=-1.
c. f(x) = sinx tại lân cận điểm x=2.
Câu 17. Khai triển thành chuỗi Maclảuin các hàm số sau:
a. f(x) = chx , b. f(x) = x 2e x ,
c. f(x) = sin 2 x , d. f(x) = e x cos x
1
e. f(x) = ln( x 2 − 5 x + 6) , f. f(x) =
x − 3x + 2
2
⎧1 1 + x
⎪ ln khi x ≠ 0 x
g. f(x) = ⎨x 1− x h. f(x) = ∫ cos t 2dt
⎪2
⎩ khi x = 0 0
∞ ∞
Câu 18. Cho hai chuỗi luỹ thừa ∑ an x n ,∑ bn x n có bán kính hội tụ tưng ứng là
n =1 n =1
R1 , R2
a. Chứng minh rằng nếu tồn tại n0 ∈ N sao cho an ≤ bn , ∀n ≥ n0 thi R1 ≥ R2 .
b. Chứng minh rằng nếu an ~ bn khi n → ∞ thì R1 = R2 .
Câu 19. Tìm bán kính hội tụ của các chuỗi luỹ thừa có số hạng tổng quát sau:
chn n 1 n
a. un ( x) = x , b. un ( x) = arccos(1 − )x ,
sh 2 n n2
132
Chương 5: Lý thuyết chuỗi
c. un ( x) = cos(π n 2 + n + 1) x n d. un ( x) = (n n + 1 − n n ) x n ,
π⎤
e. un ( x) = ⎡arctg (1 +
1
⎢ 2
) − ⎥ xn
⎣ n 4⎦
Câu 20. Tính các số sau với độ chính xác là 10 −4
a. e , b. 5
1,1 , c. ln (1,04) , d. cos180
Câu 21. Khai triển thành chuỗi Fourier hàm số f(x) lẻ, tuần hoàn với chu kỳ
2 π và f(x) = π − x với 0
![](images/graphics/blank.gif)
![](images/graphics/blank.gif)
## Top Download Toán Học
-
[Sách hướng dẫn học toán cao cấp A1 - TS. Vũ Gia Tê](http://tailieu.vn/doc/sach-huong-dan-hoc-toan-cao-cap-a1-ts-vu-gia-te-40403.html)
138p
21083
5537
-
[Bài giảng đại số tuyến tính - Lê Thị Nguyệt](http://tailieu.vn/doc/bai-giang-dai-so-tuyen-tinh-le-thi-nguyet-179232.html)
63p
1876
928
-
-
[Bài giảng Hình Họa - Ths Nguyễn Độ](http://tailieu.vn/doc/bai-giang-hinh-hoa-ths-nguyen-do-183640.html)
91p
1896
559
-
-
[Kỹ thuật sử dụng bất đẳng thức cô-si](http://tailieu.vn/doc/ky-thuat-su-dung-bat-dang-thuc-co-si-169311.html)
26p
4087
1943
-
63p
1736
504
-
116p
4254
2356
-
[Giáo trình toán rời rạc - Đặng Ngọc Hoàng Thành](http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-toan-roi-rac-dang-ngoc-hoang-thanh-1541940.html)
110p
530
333
-
[Giáo trình toán Giải tích 1 - NXB GD](http://tailieu.vn/doc/giao-trinh-toan-giai-tich-1-nxb-gd-39799.html)
351p
5787
1561
Tài Liệu Toán học Mới
[Xem thêm »](http://tailieu.vn/khoa-hoc-tu-nhien/toan-hoc/)
Tài Liệu mới cập nhật
[Xem thêm »](http://tailieu.vn/tai-lieu/)

Server: Apache