(toán cao c§p 2 - gi£i tích) lê phươngdocgate.com/phuongle/teaching/gt/handout/c4.pdf ·...

25
4. Tích phân ca hàm s 1 bin s (Toán cao cp 2 - Gii tích) Lê Phương B môn Toán kinh t Đi hc Ngân hàng TP. H Chí Minh Homepage: http://docgate.com/phuongle

Upload: others

Post on 06-Jan-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

4. Tích phân của hàm số 1 biến số(Toán cao cấp 2 - Giải tích)

Lê Phương

Bộ môn Toán kinh tếĐại học Ngân hàng TP. Hồ Chí Minh

Homepage: http://docgate.com/phuongle

Page 2: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Nội dung

1 Tích phân bất địnhĐịnh nghĩa và tính chấtPhương pháp tính

Các tích phân thường gặpPhương pháp đổi biếnPhương pháp tích phân từng phầnTích phân của hàm hữu tỷ

2 Tích phân xác địnhĐịnh nghĩa và tính chấtPhương pháp tính

3 Tích phân suy rộngĐịnh nghĩa và tính chấtPhương pháp tính

Page 3: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân bất định

Nguyên hàmHàm số F được gọi là nguyên hàm của hàm số f trong (a,b) nếu Fliên tục, có đạo hàm tại mọi x ∈ (a,b) và F ′(x) = f (x).

Định lýHai nguyên hàm của cùng một hàm số f sai khác nhau một hằng số.

Tích phân bất địnhTập hợp tất cả các nguyên hàm của f được gọi là tích phân bất địnhcủa f , ký hiệu

∫f (x) dx .∫

f (x) dx = F (x) + C.

Page 4: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân bất định

Tính chất của tích phân bất định

1 Tuyến tính:∫(αf (x) + βg(x)) dx = α

∫f (x) dx + β

∫g(x) dx

với α, β ∈ R.2 Đạo hàm của tích phân:(∫

f (x) dx)′

= f (x).

3 Tích phân của đạo hàm:∫f ′(x) dx = f (x) + C

nếu f là hàm số khả vi.

Page 5: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân bất định

Các tích phân thường gặp

1

∫xα dx =

{xα+1/(α + 1) + C, nếu α 6= −1ln |x |+ C, nếu α = −1

2

∫ax dx =

ax

ln a + C.

3

∫sin x dx = − cos x + C.

4

∫cos x dx = sin x + C.

5

∫ dxcos2 x = tan x + C.

6

∫ dxsin2 x

= − cot x + C.

7

∫ dxx2 + a2 =

1a arctan

xa + C với a 6= 0.

Page 6: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân bất định

Phương pháp đổi biếnNếu ϕ là một hàm số khả vi thì∫

f (ϕ(x))ϕ′(x) dx =

∫f (t) dt

∣∣∣∣t=ϕ(x)

Áp dụng khi hàm cần tính tích phân có chứa hàm hợp.

Ví dụ 1. Tính∫

xex2dx .

Giải. Đặt t = x2, ta có dt = 2x dx .∫xex2

dx =

∫ et

2dt =

et

2+ C =

ex2

2+ C.

Ví dụ 2. Tính∫

tan x dx .

Giải. Đặt t = cos x , ta có dt = − sin x dx .∫tan x dx =

∫sin xcos x dx = −

∫ dtt = − ln |t |+ C = − ln | cos x |+ C.

Page 7: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân bất địnhPhương pháp tích phân từng phầnNếu u, v là các hàm số khả vi thì∫

u dv = uv −∫

v du

Ví dụ 1. Tính∫

xex dx .

Giải. Đặt{

u = xdv = exdx ⇒

{du = dxv = ex∫

xex dx = xex −∫

exdx = ex (x − 1) + C.

Ví dụ 2. Tính∫

ln x dx .

Giải. Đặt{

u = ln xdv = dx ⇒

{du =

dxx

v = x∫ln x dx = x ln x −

∫dx = x(ln x − 1) + C.

Page 8: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Bài toánCho P,Q là các đa thức với hệ số thực. Tính tích phân∫ P(x)

Q(x)dx .

Bước 1. Chia tử cho mẫu, đưa về tích phân phân thức đúng

P(x)

Q(x)= M(x) +

R(x)

Q(x).

Ví dụ. ∫2x3

x2 − 1dx =

∫ (2x +

2xx2 − 1

)dx .

Page 9: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Bước 2. Phân tích mẫu thức thành nhân tử

Q(x) = (x − a1)s1 · · · (x − am)sm · (x2 + p1x + q1)t1 · · · (x2 + pnx + qn)tn

trong đó các phương trình x2 + pix + qi = 0 (i = 1,2, . . . ,n) đều vônghiệm (do đó p2

i − 4qi < 0).

Ví dụ 1. ∫2x

x2 − 1dx =

∫2x

(x − 1)(x + 1)dx .

Ví dụ 2. ∫ xx4 − 1

dx =

∫ x(x − 1)(x + 1)(x2 + 1)

dx .

Ví dụ 3. ∫ x + 2x3 − 2x2 + x dx =

∫ x + 2x(x − 1)2 dx .

Page 10: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷBước 3. Phân tích phân thức thành tổng của các phân thức đơn giảnhơn có mẫu thức là lũy thừa của một thừa số bậc nhất hoặc bậc hai

R(x)

Q(x)=

m∑i=1

si∑j=1

Aij

(x − ai )j +n∑

i=1

ti∑j=1

Bijx + Cij

(x2 + pix + qi )j .

Các hệ số Aij ,Bij ,Cij tìm được bằng cách quy đồng, đồng nhất hệ sốở 2 vế.

Ví dụ 1. ∫2x

(x − 1)(x + 1)dx =

∫ ( Ax − 1

+B

x + 1

)dx .

Cần tìm A,B thỏa2x

(x − 1)(x + 1)=

Ax − 1

+B

x + 1⇔ 2x =

(A + B)x + (A− B)⇔{

A + B = 2A− B = 0 ⇔ A = B = 1. Vậy∫

2x(x − 1)(x + 1)

dx =

∫ (1

x − 1+

1x + 1

)dx = ln |x2 − 1|+ C.

Page 11: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Ví dụ 2. Để tính∫

2x + 1(x − 1)2(x2 + 1)

dx ta phân tích

2x + 1(x − 1)2(x2 + 1)

=A

x − 1+

B(x − 1)2 +

Cx + Dx2 + 1

.

Ví dụ 3. Để tính∫ x2 − 5

x(x − 1)(x2 + 4)2 dx ta phân tích

x2 − 5x(x − 1)(x2 + 4)2 =

Ax +

Bx − 1

+Cx + Dx2 + 4

+Ex + F

(x2 + 4)2 .

Page 12: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷBước 4. Các tích phân của 2 loại phân thức trong bước 3 được xácđịnh như sau

1

∫ A(x − a)k dx =

∫A(x − a)−k dx = A ln |x − a|+ C, nếu k = 1

A(1− k)(x − a)k−1 + C, nếu k > 1

2

∫ mx + n(x2 + px + q)k dx

=m2

∫2x + p

(x2 + px + q)k dx +(

n − mp2

)∫ dx(x2 + px + q)k

=m2

∫ d(x2 + px + q)

(x2 + px + q)k +(

n − mp2

)∫ d(x + p

2

)((x + p

2

)2+ (q − p2

4 ))k

=m2

∫ d(x2 + px + q)

(x2 + px + q)k +(

n − mp2

)∫ dy(y2 + a2)

k

với y = x +p2

và a =

√q − p2

4.

Page 13: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Hai dạng tích phân cuối được tính tiếp như sau

1

∫ d(x2 + px + q)

(x2 + px + q)k = ln |x2 + px + q|+ C, nếu k = 11

(1− k)(x2 + px + q)k−1 + C, nếu k > 1

2

∫ dx(x2 + a2)k = Ik với

I1 =1a arctan

xa + C

và Ik được xác định theo công thức truy hồi

Ik+1 =1

2ka2

(x

(x2 + a2)k + (2k − 1)Ik)

với mọi k ≥ 1.

Page 14: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Ví dụ 1.∫ dx

(x − 2)3 =

∫(x − 2)−3 d(x − 2) =

−12(x − 2)2 + C.

Ví dụ 2.∫ dx

x2 + 2x + 5=

∫ dx(x + 1)2 + 22 =

∫ d(x + 1)

(x + 1)2 + 22 =

12

arctanx2

+ C.

Ví dụ 3.∫

(x + 4)dx(x − 2)(x + 1)

=

∫ (2

x − 2− 1

x + 1

)dx =

2 ln |x − 2| − ln |x + 1|+ C = ln(x − 2)2

|x + 1|+ C.

Page 15: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân của hàm hữu tỷ

Ví dụ 4.∫2x3 + x2 + 5x + 1

(x2 + 3)(x2 − x + 1)dx

=

∫ (1

x2 + 3+

2xx2 − x + 1

)dx

=

∫ (1

x2 + 3+

2x − 1x2 − x + 1

+1

x2 − x + 1

)dx

=

∫ (1

x2 + 3+

2x − 1x2 − x + 1

+1(

x − 12

)2+ 3

4

)dx

=1√3

arctanx√3

+ ln(x2 − x + 1) +2√3

arctan2x − 1√

3+ C.

Page 16: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân xác định

Định nghĩaCho hàm số f xác định trên [a,b]. Chia đoạn [a,b] thành n đoạn bởicác điểm chia a = x0 < x1 < x2 < · · · < xn−1 < xn = b. Trên mỗi đoạnchọn x∗i ∈ [xi−1, xi ] và đặt ∆ = max

1≤i≤n|xi − xi−1|.Nếu giới hạn

I = lim∆→0

n∑i=1

f (x∗i )(xi − xi−1)

tồn tại và không phụ thuộc vào cách chia và cách chọn các điểm x∗ithì I được gọi là tích phân xác định của f trên đoạn [a,b], kí hiệu∫ b

a f (x) dx .

Khi đó f được gọi là khả tích trên [a,b].

Page 17: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân xác định

Tính chất1 Tuyến tính:∫ b

a(αf (x) + βg(x)) dx = α

∫ b

af (x) dx + β

∫ b

ag(x) dx .

2 Nối cận: ∫ b

af (x) dx =

∫ c

af (x) dx +

∫ b

cf (x) dx .

3 Đạo hàm tích phân theo cận trên:(∫ ϕ(x)

af (t) dt

)′= f (ϕ(x))ϕ′(x).

Page 18: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân xác địnhCông thức Newton - LeibnitzNếu f liên tục trên [a,b] thì với mọi nguyên hàm F của f ta có∫ b

af (x) dx = F (x)|ba = F (b)− F (a).

Phương pháp đổi biếnNếu ϕ là một hàm số khả vi thì∫ b

af (ϕ(x))ϕ′(x) dx =

∫ ϕ(b)

ϕ(a)

f (t) dt .

Phương pháp tích phân từng phầnNếu u, v là các hàm số khả vi thì∫ b

au dv = uv |ba −

∫ b

av du.

Page 19: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tính phân xác định

Ví dụ 1. Tính I = limx→0

∫ x0 cos t2 dt

x .

Giải. Tích phân trên có dạng vô định00

, dùng qui tắc L’Hôpital

I = limx→0

(∫ x0 cos t2 dt

)′x ′ = lim

x→0

cos x2

1= 1.

Ví dụ 2. Tính I = limx→0+

∫ sin x0

√tan t dt∫ tan x

0

√sin t dt

.

Giải. Tích phân trên có dạng vô định00

, dùng qui tắc L’Hôpital

I = limx→0+

(∫ sin x0

√tan t dt

)′(∫ tan x

0

√sin t dt

)′ = limx→0+

√tan(sin x) cos x√

sin(tan x) · 1/ cos2 x= 1.

Page 20: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tính phân xác định

Ví dụ 3. Tính các tích phân xác định sau

1

∫ √7

0

x3dx3√

1 + x2,

2

∫ ln 3

0

dx√ex + 1

,

3

∫ 1

−1|ex − 1|dx ,

4

∫ 1

0x15√

1 + 3x8 dx ,

5

∫ e

1

dxx√

1 + ln x.

Đáp số: 1)14120

, 2) ln

√2 + 1

3(√

2− 1), 3) e +

1e − 2, 4)

29270

, 5) 2√

2− 1.

Page 21: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân suy rộng

Định nghĩaCho hàm số khả tích f . Các tích phân suy rộng (loại một) được địnhnghĩa như sau∫ +∞

af (x) dx = lim

b→+∞

∫ b

af (x) dx ,∫ a

−∞f (x) dx = lim

b→−∞

∫ a

bf (x) dx ,∫ +∞

−∞f (x) dx =

∫ a

−∞f (x) dx +

∫ +∞

af (x) dx .

Nếu giới hạn tồn tại và hữu hạn thì tích phân gọi là hội tụ. Ngược lại,nếu giới hạn không tồn tại hoặc bằng vô cùng, thì tích phân gọi làphân kỳ.

Page 22: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân suy rộng

Công thức Newton - Leibnitz∫ +∞

af (x) dx = F (x)|+∞a = lim

b→+∞F (b)− F (a).

Công thức đổi biến∫ +∞

af (ϕ(x))ϕ′(x) dx =

∫ limb→+∞

ϕ(b)

ϕ(a)

f (t) dt .

Công thức tích phân từng phần∫ +∞

au dv = uv |+∞a −

∫ +∞

av du.

Ta cũng có các công thức tương tự cho các tích phân suy rộng còn lại.

Page 23: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân suy rộngVí dụ 1. Tính

∫ +∞

1

dxx2 .

Giải. ∫ +∞

1

dxx2 = −1

x

∣∣∣∣+∞1

= limx→+∞

(−1

x

)+ 1 = 1.

Ví dụ 2. Tính∫ +∞

1

dxx .

Giải. ∫ +∞

1

dxx = ln |x ||+∞1 = lim

x→+∞ln |x | = +∞.

Ví dụ 3. Tính∫ +∞

e

dxx ln2 x

.

Giải.∫ +∞

e

dxx ln2 x

=

∫ +∞

e

d(ln x)

ln2 x= − 1

ln x

∣∣∣∣+∞e

= limx→+∞

(− 1

ln x

)+

1ln e = 1.

Page 24: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Tích phân suy rộngVí dụ 4. Tính

∫ +∞

4

dxx2 − 5x + 6

.

Giải. ∫ +∞

4

dxx2 − 5x + 6

=

∫ +∞

4

dx(x − 2)(x − 3)

=

∫ +∞

4

(1

x − 3− 1

x − 2

)dx

= ln

∣∣∣∣x − 3x − 2

∣∣∣∣∣∣∣∣+∞4

= limx→+∞

ln

∣∣∣∣x − 3x − 2

∣∣∣∣− ln

∣∣∣∣4− 34− 2

∣∣∣∣= ln 2.

Chú ý: nếu phân tích∫ +∞

4

dxx2 − 5x + 6

=

∫ +∞

4

1x − 3

dx −∫ +∞

4

1x − 2

dx thì gặp dạng vô

định∞−∞ và không thể tính tiếp được.

Page 25: (Toán cao c§p 2 - Gi£i tích) Lê Phươngdocgate.com/phuongle/teaching/GT/handout/C4.pdf · 2018-01-31 · Tích phân b§t đành Nguyên hàm Hàm sŁ F đưæc gåi lànguyên

Bài tập: Tính tích phân suy rộngTính các tích phân suy rộng sau:

1

∫ +∞

3

dx(x + 1)(x − 2)

2

∫ +∞

2

x2 + 1x(x − 1)3 dx

3

∫ +∞

1

x + 3x(x2 + x + 1)

dx

4

∫ +∞

0

x2

x6 + 1dx

5

∫ +∞

0

dxex + e−x

6

∫ +∞

1

dxx(ln2 x + 1)

7

∫ +∞

0xe−2x dx

8

∫ +∞

1

ln xx3 dx