Bài giảng Đại số: Tích phân xác định

Tích phân xác địnhBài toán diện tích hình thang cong: Cho hàm f(x) liên tục và không âm trên [a,b]. Miền D giới hạn bởi đừơng cong y=f(x), 3 đường thẳng x=a, x=b, y=0 được gọi là hình thang congYêu cầu đặt ra là tính diện tích hình thangChia đoạn [a,b] thành n-phần tùy ý bởi các điểmTích phân xác địnhxkxk+1Ta tính diện tích hình thang cong thứ k gần đúng bằng cách lấy điểm Mk tùy ý trong [xk,xk+1]Mkf(Mk)Coi diện tích hình thang cong nhỏ xấp xỉ với diện tích hình chữ nhật cạnh xkxk+1, f(Mk) Với n- điểm chia ta có n-hình thang cong nhỏ với diện tích được tính xấp xỉ như trên nên diện tích hình thang cong D được tính xấp xỉ với, tức là bằngTích phân xác địnhRõ ràng, công thức xấp xỉ trên càng chính xác nếu số các hình thang cong nhỏ càng nhiều. Ta cho Nếu Sn tiến đến một giới hạn hữu hạn mà không phụ thuộc cách chia [a,b] và cách lấy điểm Mk thì giới hạn đó được gọi là diện tích của hình thang cong DTích phân xác địnhTích phân xác địnhĐịnh nghĩa tích phân xác định: Cho hàm f(x) xác địnhtrên [a,b]. Chia [a,b] thành n-phần tùy ý bởi các điểm chia (ta gọi là một phân hoạch của đoạn [a,b])Lấy điểm bất kỳ , lập tổng tích phân(Tổng Riemann)Ta cho hạn mà không phụ thuộc cách chia [a,b] và cách lấy điểm Mk thì giới hạn đó được gọi là tích phân xác định của hàm f(x) trên [a,b] và kí hiệu là, nếu Sn tiến đến một giới hạn hữuKhi ấy, ta nói hàm f(x) khả tích trên [a,b]Tích phân xác địnhVí dụ: Tính tích phân sau bằng định nghĩaChia [0,1] thành n phần bằng nhau thì các điểm chia sẽ là Tích phân xác địnhTheo định nghĩa, tích phân I1 cho ta diện tích phần mặt phẳnggiới hạn bởi 2 trục Ox, Oy, đt x=1 và đường cong y=2xTích phân xác địnhTa có thể tính bằng cách dùng MatLabBước 1: Tính giá trị hàm f tại điểm xk bằng lệnh subs(f,xk)Bước 2: Tính tổng Sn bằng lệnh S=symsum(f(xk).(xk+1-xk),k,0,n-1): Tính tổng các số hạng dạng f(xk).(xk+1-xk) theo k, với k từ 0 đến n-1Bước 3: Tính giới hạn của Sn bằng lệnh limit(S,n,inf): tính giới hạn của S theo n, n dần đến ∞ (inf)Khai báo biến x: syms xNhập hàm: f=2^xNhập cận lấy tp: a=0, b=1. Sau đó thực hiện các bước sauTích phân xác địnhTính chất của tích phân xác định Định lý 1: Hàm liên tục trên [a,b] thì khả tích trên [a,b]Định lý 2: Hàm có hữu hạn điểm gián đoạn trên [a,b] thì khả tích trên [a,b]Trong các tính chất dưới đây, đều có f(x), g(x) là các hàm khả tích trên [a,b]Tích phân xác địnhf(x) khả tích trên [a,c], [c,b], [a,b]là hàm lẻlà hàm chẵnTích phân xác địnhĐịnh lý giá trị trung bình: Cho hàm f(x) liên tục trên [a,b], tồn tại điểm c trong [a,b] sao cho Ta gọi f(c) là giá trị trung bình của hàm f(x) trên [a,b]M, m là GLNN, GTNN của f(x) trên [a,b]là hàm tuần hoàn chu kỳ TTích phân xác địnhCông thức đạo hàm dưới dấu tích phânVí dụ: Tính đạo hàm theo x của Tích phân xác địnhVí dụ: Tính giới hạnVì dạng , nên ta áp dụng quy tắc L’Hospitaltức là giới hạn trên cóTích phân xác địnhCông thức Newton – Leibnitz: Nếu hàm f(x) liên tục trên [a,b] và G(x) là một nguyên hàm của f(x) thì ta cóVí dụ: Tính tích phânTích phân xác địnhPhương pháp đổi biếnNếu liên tục trên [a,b]khả vi, liên tục trên [t1,t2]ThìTích phân xác địnhVí dụ: TínhĐặt Tích phân xác địnhPhương pháp tích phân từng phầnNếu 2 hàm u(x), v(x) khả vi, liên tục trên [a,b] thìVí dụ: TínhTích phân xác địnhLưu ý 1: Trong MatLab, để tính tích phân bất định hàm f(x), ta có thể dùng lệnh int(f,x) hoặc int(f)Và để tính tích phân xác định của hàm f trên [a,b] ta dùng lệnh int(f,a,b)Tuy nhiên, có những hàm ta sẽ không thể dùng lệnh int để tính tp bất định cũng như tp xác định (Hàm f trong ví dụ trên). Khi đó, ta chỉ có thể tính được trong MatLab các tích phân xác định bằng cách dùng thêm lệnh double : double(int(f,a,b))Tức là ta chỉ có thể dùng MatLab để tính gần đúng các tích phân xác định như vậyTích phân xác địnhĐể tính gần đúng tích phân xác định, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp đơn giản nhất là phương pháp hình thang như sau:Ta sẽ chia [a,b] thành lần lượt thành 2 phần, 4 phần, 8 phần, , 2n phần bằng nhau và áp dụng công thức tính trong các trường hợp trên là Số lần chia sẽ dừng lại sau khi ta đánh giá sai số nhỏ hơn giá trị mà ta đưa ra. Tuy nhiên, phần đánh giá sai số sẽ được làm một cách cụ thể trong môn học Phương pháp tính. Tích phân xác địnhTrong MatLab, ta sẽ lập hàm để tính tích phân xác định của hàm f trên [a,b] với số đọan chia là 2n với tên gọi và cú pháp như sau:Tên hàm: hinhthang(f,a,b,solan) (solan là n thì số đọan chia là 2n)Nhập vào : syms x, nhập vào hàm f, cận a, b, số n bằng lệnh inputTính giá trị đầu: fa = subs(f, a); fb = subs(f, b);I = (fa + fb)*(b-a)/2; sum=0Lập vòng lặp để tính tổng và vòng lặp để tính tp ITích phân xác địnhfor n = 2:solan k=2^(n-2) h=(b-a)/(2*k) x = a + h; sum = 0; for i = 1:k fx = subs(f, x); sum = sum + fx; x = x + (b-a)/k; end I=(I/2)+h*sumendTích phân xác địnhLưu ý 2: Các tích phân không áp dụng được công thức Newton – Leibnitz Cách tính này sai vì hàm dưới dấu tp không liên tục trên [-e,e]Để tính đúng tp trên, ta phải chia tp ra làm 2 với điểm chia là điểm gián đọan của hàm: x=0Hai tp thành phần ta gọi là tp của hàm không bị chặn hay là tp suy rộng lọai 2Tích phân suy rộng lọai 1Cho đường cong Giả sử ta cần tính diện tích phần mặt phẳng giới hạn bởi đường cong trên và 2 nửa dương 2 trục Ox, OyKhi đó, theo phần trên ta có Tích phân suy rộng lọai 1Để có diện tích miền D, ta sẽ phải tính tích phân khi x→∞ và khi x→0 Ta gọi những tích phân như vậy là tích phân suy rộngCó 2 loại tích phân suy rộng: Tích phân với cận vô tận (tp suy rộng loại 1) và tích phân của hàm không bị chặn (tp suy rộng loại 2) Tích phân suy rộng lọai 1Định nghĩa tích phân suy rộng lọai 1: Cho hàm f(x) khả tích trên [a,b] , Được gọi là tp suy rộng lọai 1 của hàm f(x) trên [a,+∞)Nếu giới hạn trên tồn tại hữu hạn thì ta nói tp hội tụ, tp không hội tụ thì gọi là tp phân kỳ Tương tự, ta có thêm 2 dạng tp suy rộng lọai 1:Tích phân Tích phân suy rộng lọai 1Ví dụ: Xét tp sau Nếu α=1: Tp phân kỳNếu α≠1:Nếu 1- α>0 :Nếu 1- α1 và phân kỳ nếu α≤1Tích phân suy rộng lọai 1Sử dụng CT Newton – Leibnitz để tính tp suy rộngNếu hàm f(x) có nguyên hàm là G(x) trên [a,+∞) thìTích phân suy rộng lọai 1Ví dụ: Tính dt miền D giới hạn bởi DTích phân suy rộng lọai 1Ví dụ: Tính dt miền D ghạn bởi DTa có giới hạn dạng vô định ∞ - ∞Tích phân suy rộng lọai 1Khảo sát sự HT của tp suy rộng lọai 1 với hàm không âmTiêu chuẩn so sánh 1:Cho 2 hàm f(x), g(x) không âm, khả tích trên [a,+∞) thỏa f(x) ≥ g(x) ở lân cận của ∞. Ta có:Ta thường so sánh với tp cơ bản Tích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Khi x > e-1 thì ln(1+x)>1, suy raMà PKVậy I2 PKVí dụ: KS sự HT của Vì Suy ra tp I3 HTTích phân suy rộng loại 1Tiêu chuẩn so sánh 2: Cho 2 hàm f(x), g(x) không âm, khả tích trên [a,+∞)Nếu thì ta có các kết luận sau:K=0:2 tp trên cùng HT hoặc cùng PKTích phân suy rộng loại 1Để khảo sát sự HT của tp ta làm như sau: 1. Xác định hàm f(x) không âm với mọi x>a2. Khi x→∞, tìm hàm g(x) tương đương với f(x) hoặc đánh giá f(x) lớn hay nhỏ hơn hàm g(x)3. Nếu là hàm tương đương thì dùng t/c so sánh 2, nếu là hàm nhỏ hay lớn hơn thì dùng t/c so sánh 1 Tích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Khi x→∞ , hàm đã cho không âm và Tức là Đây là trường hợp 2 tp cùng HT hoặc cùng PKDo nên tp I4 HTTích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Với x≥3, Vậy tp I5 HTTích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Ta cóVậy Tp I6 HTVí dụ: KS sự HT của Khi x→∞ thì 1/x →0 nên ta có thể biến đổi và thay VCB tương đương như khi tính giới hạnnên TP I7 HT`Tích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Tp này HT nên Tp I8 cũng HTTích phân suy rộng loại 1Tích phân hàm có dấu bất kỳNếu Thì Khi đó, ta nói tp là tp hội tụ tuyệt đốiNếu là tp của hàm có dấu bất kỳ, ta sẽ khảo sát tp của hàm không âm sau bằng 1 trong 2 tiêu chuẩn so sánhTp trên HT thì Tp cần khảo sát là tp HTTĐTp trên PK thì chưa có kết luận cho tp cần khảo sát Tích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Trước tiên, ta tính tp từng phầnlà Tp HTSuy ra J là tp HTTĐMặt khác, sin1 là hằng số hữu hạn nên I9 HTTích phân suy rộng loại 1Ví dụ: Tìm α để tp sau HTKhi x→∞ thì x3 là VCL, sinx là hàm bị chặn nên Suy ra, Tp I10 HT khi và chỉ khi tp Vậy I10 HT khi và chỉ khiTích phân suy rộng loại 1Ví dụ: KS sự HT của Kết quả này SAIvì tp mà ta so sánh không chỉ là tp suy rộng lọai 1 Tích phân suy rộng loại 1Ta xét tp Tp J là tp suy rộng lọai 1 vì có cận vô tận, tuy nhiên hàm dưới dấu tp còn là hàm không bị chặn tại đầu dưới x = 0Ta sẽ tách tp J thành tổngTp thứ nhất là tp suy rộng lọai 1 HT, còn tp thứ hai ta sẽ xét tiếp ở phần tp suy rộng lọai 2 (Tp PK)Tích phân suy rộng loại 2Định nghĩa: Cho hàm f(x) xác định và khả tích trong [a,c] với mọi c: a≤c1:Nếu α<1:Vậy HT nếu α<1 và PK nếu α≥1Tích phân suy rộng loại 2Tiêu chuẩn so sánh 1:Cho 2 hàm f(x), g(x) không âm, khả tích trên [a,b), không bị chặn tại b và f(x) ≤ g(x) với mọi x thuộc lân cận của b. Ta có: Để khảo sát sự HT của tpta sẽ so sánh f(x)vớirồi sử dụng kết quả trênTích phân suy rộng loại 2Tiêu chuẩn so sánh 2:Cho 2 hàm f(x), g(x) không âm, khả tích trên [a,b), không bị chặn tại b vàTa có:2 tp cùng HT hoặc cùng PKTa cũng tìm hàm g(x) để so sánh như khi khảo sát tp suy rộng lọai 1 khi x→b-Tích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Khảo sát sự HT của Hàm không xác định tại 1 điểm x = 1, tại đó hàm không bị chặn và đó là điểm duy nhất trên đọan lấy tp mà hàm không bị chặn.Ta sẽ chỉ xét x → 1-, Tức là:2 tp cùng HT hoặc cùng PKVậy:Tích phân suy rộng loại 2Tích phân hàm có dấu bất kỳ - Hội tụ tuyệt đốiNếu HT thì HT Với hàm f(x) khả tích trên [a,b) và không bị chặn tại bVí dụ: Khảo sát sự HT của Xét tại 2 điểm đặc biệt x=0, x=1. Tức là hàm không bị chặn tại x=0Tp này HTTích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Khảo sát sự HT của Ta chỉ xét khi x→0:Tích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Khảo sát sự HT của Hàm dưới dấu tp không bị chặn tại cả 2 đầuNhư vậy, I6 là tổng của 2 tp HT nên I6 HTTích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Khảo sát sự HT của Tp trên vừa là tp suy rộng lọai 1, vừa là tp suy rộng loại 2Như vậy, I7 là tổng của 1 tp HT và 1 tp PK nên I7 PKTích phân suy rộng loại 2Ví dụ: TínhĐặt (1)(2)Cộng 2 vế (1) và (2):ĐặtTích phân suy rộng loại 2Đặt Vậy:Tích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Tìm α để tp sau HTTa tính khi x→0Tp I9 HT khi và chỉ khi tp Vậy I9 HT khi và chỉ khi Tích phân suy rộng loại 2Ví dụ: Tìm α để tp sau HT-1/5-3/5Rõ ràng, chỉ với tp I10 là tp HTHT+PKHT+PKTích phân suy rộng - Phụ lụcTính các tpTích phân suy rộng - Phụ lụcTìm α để các tp sau HT