Chương 1: Ứng dụng phép tính vi phân trong hình ảnh | Bài giảng môn Đại số các nhóm ngành chuẩn | Đại học Bách khoa hà nội
Tiếp tuyến và pháp diện của đường tại một điểm. Tài liệu trắc nghiệm môn Đại số các nhóm ngành chuẩn giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Đại số các nhóm ngành chuẩn (THH)
Trường: Đại học Bách Khoa Hà Nội
Thông tin:
Tác giả:
Tài liệu liên quan:
Preview text:
PGS. TS. NGUYỄN XUÂN THẢO BÀI GIẢNG GIẢI TÍCH II
(Hệ Kĩ sư tài năng) Hà Nội - 2014
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn GIẢI TÍCH 2 BÀI 1. CHƯƠNG I.
ỨNG DỤNG PHÉP TÍNH VI PHÂN TRONG HÌNH HỌC § 1. Hàm vectơ
1.1. Định nghĩa. Cho I là một khoảng trong . Ánh xạ n t I r t được gọi
là hàm vectơ của biến số t xác định trên I .
Đặt OM r t . Quỹ tích điểm M x t ; y t ; z t khi t biến thiên trong I là đường
L trong 3 , gọi là tốc đồ của hàm vectơ r t . Ta cũng nói rằng đường L có các
phương trình tham số x x t , y y t , z z t .
1.2 Giới hạn. Ta nói rằng hàm vectơ r t có giới hạn là a khi t dần tới t0 nếu
r t a 0 khi t t0 , tức là nếu với 0, 0 sao cho t t 0
r t a . Khi đó ta kí hiệu lim r t a . t t0
Hàm vectơ r t xác định trên I được gọi là liên tục tại t 0
I nếu lim r t r t0 t t0
Nhận xét. Tính liên tục của hàm vectơ r t tương đương với tính liên tục của các hàm toạ độ
1.3 Đạo hàm. Cho hàm vectơ r t xác định trên I và t 0
I . Giới hạn (nếu có) của tỉ số r r t 0
h r t0 h h dr
khi h 0 được gọi là đạo hàm của r t tại t r 0 và kí hiệu là t0 hay t0 . Khi dt
đó ta nói rằng hàm vectơ khả vi tại t0. r x t 0
h x t0 y t 0
h y t0 z t 0
h z t0 Ta có i j k h h h h
Khi đó nếu các hàm số x t , y t , z t khả vi tại t0 thì hàm vectơ r t cũng khả vi tại t r t x t
i y t j z 0 và có 0 0 0 t0 k
Đạo hàm cấp cao (tương tự)
Khi h khá nhỏ ta có thể xấp xỉ vectơ r M . h r
0M bởi vectơ tiếp tuyến t0 Tính chất.
1/ Tuyến tính f t g t f t gt , ,
2/ f t , g t f t , gt f t , g t 1
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
3/ f t g t f t gt f t g t
1.4. Tích phân Riemann của hàm vectơ
Cho f t f t f t 1 , , n
. Ta có f t khả tích trên [a ; b] , 1, k f t k n khả tích b b b b
trên [a ; b] và có f t dt f t dt, f t dt, , f t dt 1 2 . n a a a a
Hàm F t được gọi là nguyên hàm của f t nếu Ft f t , khi đó ta viết
f t dt F t C
và ta cũng có f t dt
f t dt, f t dt, , f t 1 2 n dt b
Ta cũng có công thức Leibnitz f t dt F b F a . a
Ứng dụng. Tìm khoảng cách xa nhất của viên đạn được bắn ra từ bệ phóng tạo
góc so với mặt nằm ngang và với vận tốc ban đầu v0
§ 2. Đường trong không gian ba chiều
2.1. Đường cong liên tục, trơn, trơn từng khúc
Tiếp tuyến và pháp diện của đường tại một điểm.
Cho đường cong L trong không gian có phương trình tham số là x x t ,
y y t , z z t . Phương trình vectơ của nó là r t x t i y t j z t k .
2.2. Vectơ pháp tuyến của đường Cho r t x t
i y t j 0
M x t0 ; y t0 ; zt thuộc 0 L , khi đó vectơ 0 0 0
z t0 k
nằm trên tiếp tuyến của L tại M x y z 0 . Giả sử các
t0 , t0 , t0 không đồng thời
triệt tiêu, khi đó ta có r t0 0. Do đó điểm P X ;Y ; Z nằm trên tiếp tuyến của L tại M r
0 khi và chỉ khi vectơ M0P đồng phương với vectơ t0 , tức là
X x t0 Y y t0
Z z t0 . xt0 yt0 zt0
Đây chính là phương trình tiếp tuyến của L tại M0 .
Đường thẳng đi qua M0 vuông góc với tiếp tuyến của L tại đó được gọi là pháp
tuyến của L tại M0 .
Phương trình pháp diện của đường cong L tại điểm M 0 L là
X x t xt Y y t yt Z zt zt 0 0 0 0 0 0 0. 2
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Ví dụ 1. Viết phương trình tiếp tuyến và pháp diện của đường cong x 2
R cos t , y R sin t cost , z R sint tại t 4
Ví dụ 2. Viết phương trình tiếp tuyến và pháp diện của đường cong 2 2 z x
y , x y tại điểm 1; 1; 2
Đường chính quy: đường chứa gồm toàn các điểm chính quy
Giả sử đường cong L có tiếp tuyến dương MT tại M , tiếp tuyến dương MT tại
M . Đặt MT, MT ,
s MM . Giới hạn (nếu có) của tỉ số khi M dần s
đến M trên đường L được gọi là độ cong của đường cong L tại M , kí hiệu là C M .
Người ta chứng minh được công thức tính độ cong của đường L là 2 2 2 x y y z z x x y y z z x C 3/2
x2 y2 z2
Ví dụ 1. Tính độ cong của đường đinh ốc trụ tròn xoay x a coswt , y a sinwt , z akt
Ví dụ 2. Tính độ cong của đường x lncos t , y lnsin t , z t 2 tại x ; y ; z
2.3. Độ dài của đường
Cho đường cong liên tục: x = x(t), y = y(t), z = z(t), t [a ; b];
phân hoạch trên [a ; b]: a = t0 < t1 < ... < tn = b. n
Độ dài đường gấp khúc l M ti M t 1 i i 1
Định nghĩa. Cho tập hợp l : P
, P là phân hoạch [a ; b], ta bảo khả trường
(có độ dài) nếu l sup l P
Định lí 1. Nếu ánh xạ t M t , t a ; b có đạo hàm Mt xt , yt , zt và
Mt bị chặn trên [a ; b] thì là khả trường.
Định lí 2. Nếu ánh xạ t M t , t a ; b có đạo hàm Mt xt , yt , zt
liên tục (trơn) trên [a ; b] thì cung khả trường và có độ dài b l
x t y t z t 2 2 2 dt a 3
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Nhận xét. Khi đường cong trơn từng khúc ( Mt liên tục từng khúc) thì cũng
khả trường và có công thức tính như trên.
2.4. Tham số tự nhiên của đường.
Phương trình tự hàm X X s ,Y Y s , s là độ dài cung.
Ví dụ. x R cos, y R sin, 0 ; 2 s X R cos R s
x y dt 2 2 R
là phương trình tự hàm s 0 Y R sin R
§ 3. Đường cong phẳng
3.1. Tiếp tuyến và pháp tuyến của đường
Điểm chính quy. Trong hệ toạ độ Descarter, cho đường cong L có phương trình f ,
x y 0 . Điểm M x ; y f 0 0 0
L được gọi là điểm chính quy nếu 0 x ; x y0 và f x0 ; y
y0 không đồng thời bằng không, là điểm kì dị trong trường hợp còn lại.
Vectơ pháp tuyến. Xét điểm chính quy M x ; y
n f (x ; y ), f 0 0 0 L , 0 0 (x0 ; y , 0 ) x y
dM dx, dy nằm trên tiếp tuyến của đường cong L tại điểm M0 , do đó n là
vectơ pháp tuyến L tại M0 (do có n.dM 0).
Phương trình tiếp tuyến. Điểm P ,
x y nằm trên tiếp tuyến của đường cong L
tại M0 . Phương trình tiếp tuyến của đường cong L tại M0 là
(x x )f (x , y ) (y y )f (x , y ) 0 0 0 0 0 0 0 x y
Ví dụ. Tìm pháp tuyến và phương trình tiếp tuyến của đường tròn 2 x 2 y 4 tại điểm 1; 3 . 3.2. Độ cong
Cho đường cong L đơn, có tiếp tuyến tại mọi điểm. Trên đường cong L chọn một
chiều làm chiều dương. Trên tiếp tuyến của L tại M , ta chọn một hướng ứng với
chiều dương của L , gọi là “tiếp tuyến dương”.
Định nghĩa 1. Cho M, M là hai điểm trên L , còn MT, MT là hai tiếp tuyến dương.
Ta gọi độ cong trung bình của cung
MM là tỉ số của góc giữa hai tiếp tuyến dương
MT và MT , được kí hiệu là C MM C MM tb , tức là tb , ở đó MM
MT, MT . 4
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Định nghĩa 2. Ta gọi độ cong của đường L tại M là giới hạn (nếu có) của độ cong trung bình C MM tb
khi M dần tới M trên L , kí hiệu là C M , tức là
C M lim C MM tb . MM
Ví dụ 1. Đường thẳng có độ cong bằng không tại mọi điểm.
Ví dụ 2. Tính độ cong của đường tròn bán kính R .
Dưới đây ta xây dựng công thức tính độ cong cho đường cong L trong hệ toạ độ
Descarter vuông góc có phương trình y f x . y C M . 3/ 2 y2 1
Khi L được cho bởi phương trình tham số x x t , y y t , sử dụng các công dy yt 2 d y
xt y t yt x t thức , , ta nhận được dx xt 2 dx x3 t
xy yx C M . 3/ 2
x2 y2
Khi L cho bởi phương trình trong toạ độ cực r f , khi đó ta có x f cos , 2
r 2r 2 rr
y f sin . Ta có C M 3/2 2 r r 2
Ví dụ 3. Tính độ cong của parabol 2 y x .
Ví dụ 4. Tính độ cong của đường Ellip x a cos t, y b sint, 0 t 2 .
Ví dụ 5. Tính độ cong của đường b r ae
, a 0, b 0 .
3.3. Đường tròn chính khúc, khúc tâm
Tại mỗi điểm M của đường L , vẽ pháp tuyến hường về phía lõm của L , trên đó lấy 1 1
một điểm I sao cho MI
. Đường tròn tâm I bán kính R được gọi là C M C M
đường tròn chính khúc của L tại M . Nó tiếp xúc với L tại M vì nó có chung với L 1
đường tiếp tuyến và có cùng độ cong C M
với L tại M . Tâm của đường tròn R 1
chính khúc này gọi là khúc tâm, bán kính R
của nó được gọi là khúc bán kính. C M
Cách tính toạ độ khúc tâm I X, Y :
y y2 1 2 1 y
Nếu L : y f x thì có: X x , Y y . y y 5
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Nếu L được cho bởi phương trình tham số x x t , y y t thì có 2 2 y x y 2 2 x x y X x , Y y
xy y x
xy yx
Ví dụ 1. Đường tròn chính khúc của đường tròn bán kính R là chính nó.
Ví dụ 2. Đường thẳng không có đường tròn chính khúc. Điều này là hiển nhiên vì
đường thẳng có độ cong bằng 0. 1
Ví dụ 3. Viết phương trình đường tròn chính khúc với đường y tại điểm 1; 1 . x
3.4. Đường túc bế, đường thân khai
Định nghĩa. Ta gọi quỹ tích các khúc tâm của đường L (nếu có) là đường túc bế
của đường L .
Ví dụ 1. Lập phương trình túc bế của đường 3/2 y x .
Ví dụ 2. Tìm đường túc bế của parabol 2 y 2p , x p 0 .
Ví dụ 3. Viết phương trình đường túc bế của ellip x a cos t, y b sint .
Định nghĩa. Cho là đường túc bế của đường L , khi đó L được gọi là đường thân khai của .
Từ các ví dụ trên ta có 9 4 đường 3/2 y x
là đường thân khai của đường X 2 x 2 , x Y x 3x 1 2 3 2 8 3 Parabol 2
y 2px là đường thân khai của đường y x p 27p Ellip
x a cost, y b sint là đường thân khai của đường 2 2 c c x 3 t y 3 cos , sin t a b
Tính chất 1. Pháp tuyến tại mỗi điểm M x ; y của đường L là tiếp tuyến của
đường túc bế của L tại khúc tâm I ứng với M
Tính chất 2. Độ dài một cung trên đường bằng trị số tuyệt đối của hiệu các khúc
bán kính của đường thân khai L của nó tại hai mút của cung ấy, nếu dọc theo cung
này khúc bán kính biến thiên đơn điệu.
Từ tính chất này ta nhận thấy đường thân khai của đường L là quỹ tích của một
điểm A trên nửa đường thẳng MA tiếp xúc với L tại M khi nửa đường thẳng này
lăn không trượt trên .
3.5. Hình bao của một họ đường cong phụ thuộc tham số
Cho một họ đường cong L phụ thuộc một hay nhiều tham số. Nếu mọi đường cong
của họ L đều tiếp xúc với một đường E và ngược lại tại mỗi điểm của đường E có 6
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
Email: thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
một đường của họ L tiếp xúc với E tại điểm ấy thì E được gọi là hình bao của họ đường cong L.
Ví dụ 1. Họ đường tròn một tham số c: (x c)2 + y2 = R2, với bán kính R
Ví dụ 2. Họ đường thẳng một tham số x cos y sin 1 0 .
Ví dụ 3. Họ đường thẳng một tham số: y cx = 0, c là tham số.
Ví dụ 4. Đường túc bế của một đường L là hình bao của họ các đường pháp tuyến
của L (Xem tính chất 1 của đường túc bế). Do đó đường túc bế của L còn được gọi
là đường pháp bao của L.
Định lí. Cho họ đường F ,
x y, c 0 phụ thuộc tham số c. Nếu các đường của họ
ấy không có điểm kì dị, thì hình bao E của họ này được xác định bằng cách khử c
F x, y, c 0 từ hai phương trình . F , x y, c 0 c
Chú ý. Nếu họ đường cong F(x, y, c) = 0 có điểm kì dị thì hệ trên gồm cả phương
trình hình bao E và quỹ tích các điểm kì dị. Hình bao không lấy những điểm kì dị
Ví dụ 1. Tìm hình bao của họ đường thẳng x cos y sin 1 0 . 2 3
Ví dụ 2. Tìm hình bao của họ parabol bán lập phương y c x c
Ví dụ 3. Xét họ quỹ đạo của viên đạn bắn từ một khẩu pháo với vận tốc v0, phụ
thuộc vào góc bắn . Trong hệ trục toạ độ Descarter, phương trình chuyển động
x v t cos 0 của viên đạn là 1 , y 2
gt v t sin 0 2
ở đó g là gia tốc trọng trường.
HAVE A GOOD UNDERSTANDING! 7
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo thao.nguyenxuan@hust.edu.vn GIẢI TÍCH 2 BÀI 2. § 4. Mặt trong 3
Điểm M0 trên mặt S được gọi là điểm chính quy nếu tại đó có các đạo hàm riêng
F x M , Fy M , F 0 0
z M0 và chúng không đồng thời bằng không. Một điểm không
chính quy gọi là điểm kì dị.
Định lí. Tập hợp tất cả các tiếp tuyến của mặt S tại điểm chính quy M0 là một mặt phẳng đi qua M0.
Phương trình pháp tuyến của mặt S tại điểm chính quy M0 là X x Y y Z 0 z 0 0 Fx 0 M
Fy M0
F z M0
Phương trình tiếp diện của mặt S: F(x, y, z) = 0, tại M0 là
F M X x F M Y y F M Z z 0 0 0 0 0 0 0 x y z
Nói riêng khi mặt S có phương trình z = f(x, y) thì phương trình tiếp diện và pháp
tuyến với S tại điểm chính quy M0(x0 ; y0 ; z0) lần lượt là
X x f M Y y f M Z z 0 0 0 0 0 0 x y ; X x Y y Z 0 z 0 0 . f M0 f M0 1 x y
Nếu mặt S có phương trình tham số x x ,
u v , y y ,
u v , z z ,
u v , (u, v) D.
Khi đó phương trình tiếp diện và pháp tuyến của mặt S tại điểm chính quy M0(x0 ; y0
; z0) lần lượt là
X x A Y y B Z z C 0 0 0 0 ; X x Y y Z 0 z 0 0 A B C y z M x x M y u M0 u z M0 u 0 u M0 u 0 u M0 ở đó A , B , C y z M x x M y v M0 v z M0 v 0 v M0 v 0 v M0
Vectơ pháp tuyến của mặt S tại M0 là N A ; B ; C .
Ví dụ 1. Viết phương trình tiếp diện và pháp tuyến của mặt cong z = x2 + y2 tại
điểm M(1 ; 2 ; 5).
Ví dụ 2. Viết phương trình pháp tuyến và tiếp diện của mặt x2 + y2 z2 = 0 tại điểm M0(3 ; 4 ; 5).
Ví dụ 3. Viết phương trình tiếp diện và pháp tuyến của mặt cong
x r cos, y r sin, z r cot tại r, 8
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo thao.nguyenxuan@hust.edu.vn CHƯƠNG II.
TÍCH PHÂN PHỤ THUỘC THAM SỐ
§ 1. Tích phân phụ thuộc tham số trên một đoạn 1.1. Khái niệm.
Định nghĩa. Cho K(x, t) bị chặn: x [c ; d], t [a ; b] và khả tích theo t trên [a ; b], b
khi đó ta gọi I x K x t ,
dt là tích phân phụ thuộc tham số x. a 1
Ví dụ 1. xt I x
te dt , x [1 ; 2] 0 b
Ví dụ 2. I x t sinxt dt , x [c ; d], cd > 0. a 1 dt
Ví dụ 3. I x , x [1 ; 2] 1 2 2 x t 0
1.2. Tính liên tục, khả vi, khả tích
Định lí 1. (Leibnitz). Cho K(x, t) liên tục trên hình chữ nhật D: a t b, c x d thì
1/ I(x) liên tục trên [c ; d] b
2/ I(x) khả tích trên [ ; ] [c ; d] và có I x dx dt K x t , dx a b 3/ Nếu có K ,
x t liên tục trên D thì có I x K x t , dt . x x a
Ta vận dụng định lí trên để tính một số tích phân phụ thuộc tham số sau 1 b a x x Ví dụ 1. Tính d , x , a b 0 ln x 0 1 arctan x Ví dụ 2. Tính dx, x 1 2 0 x 1 dx
Ví dụ 3. Tính I a
, a 0, 0 n n n 2 0 x 2 a /2
Ví dụ 4. Tính I a ln 2 2 a sin x 2 2
b cos x d , x , a b 0 . 0
HAVE A GOOD UNDERSTANDING! 9
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn GIẢI TÍCH 2 BÀI 3.
§ 2. Tích phân phụ thuộc tham số với cận là hàm số 2.1. Định nghĩa.
Cho K(x, t) liên tục trên hình chữ nhật D: a t b, c x d, các hàm (x), (x) x
liên tục trên [c ; d] thoả mãn a (x) b, a (x) b, ta gọi I x
K x, t dt là x
tích phân phụ thuộc tham số với cận là hàm số.
2.2. Tính liên tục, khả vi
Định lí 2. Cho K(x, t) liên tục trên hình chữ nhật D: a t b, c x d, các hàm
(x), (x) liên tục trên [c ; d] thoả mãn a (x), (x) b, thì ta có
1/ I(x) liên tục trên [c ; d] 2/ Nếu thêm
K x, t liên tục trên D, các hàm (x),(x) khả vi , thì có I(x) khả x
vi trên [c ; d] và có
x
I x
K x, t dt x K x, x x K x, x x x 2 1 x dt
Ví dụ 1. Cho I(x) 1 2 t 3 x x cos y 2
Ví dụ 2. Xét tính khả vi và tính đạo hàm I(x) yx e dx sin y
§ 3. Tích phân suy rộng phụ thuộc tham số 3.1. Hội tụ đều
Định nghĩa. Ta gọi I x
K x, t dt
là tích phân phụ thuộc tham số x nếu nó a
hội tụ với mọi x [c ; d]. b Tương tự có thể xét
K x, t dt,
K x, t dt
Định nghĩa. I(x) được gọi là hội tụ đều trên [c ; d ] nếu như > 0, N() > 0, b
> N(), x [c ; d] K ,
x t dt . b 10
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
3.2. Tiêu chuẩn Cauchy
Định lí (tiêu chuẩn Cauchy). I x K x, t dt
hội tụ đều trên [c ; d] b0 để có 0 2 b K ,
x t dt , b , b b , x 1 2 0 c ; d . 1 b
3.3. Dấu hiệu Weierstrass. Cho:
K x, t F t , x c ; d , t b a , F(t) 0 và khả tích
F t dt hội tụ. a Khi đó
K x, t dt
hội tụ tuyệt đối và đều trên [c ; d]. a sintx Ví dụ 1. CMR
dt hội tụ đều trên R 2 a 2 t 0
Ví dụ 2. Xét tính hội tụ đều của x t e
x dt, a 0,t [0,a] 0 2
Ví dụ. Chứng minh rằng yx e
dx hội tụ đều trên (t ;),t 0 0 0. 0
3.4. Tiêu chuẩn Dirichlet. Cho b K , x t dt 0 C
, b > a, x [c ; d], C0 > 0 a
(x, t) hội tụ đều theo x đến 0 khi khi t và đơn điệu theo t với mỗi x cố định
thuộc [c ; d].
Khi đó K x, t t, x dt
hội tụ đều trên [c ; d] a sin xt
Ví dụ 1. Xét tính hội tụ đều dt
, x [x0 ; +), x0 > 0. t 0 11
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn tx sin x Ví dụ 2. CMR e dx , t 0 x 0
3.5. Tiêu chuẩn Abel. Giả thiết rằng: 1/
K x, t dt
hội tụ đều trên [c ; d] a
2/ x, t 0
C , C0 > 0, t a, x [c ; d], và với mỗi x cố định ta có hàm (x, t) đơn điệu theo t.
Khi đó ta có K x t t x , ,
dt hội tụ đều trên [c ; d]. a tx 1
Ví dụ 1. Xét tính hội tụ đều e
dt , x [x 2 0 ; +), x0 > 0. x t 0
HAVE A GOOD UNDERSTANDING! 12
2/9/20142/9/20142/9/20142/9/2014PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn GIẢI TÍCH 2 BÀI 4.
§ 3. Tích phân suy rộng phụ thuộc tham số (TT)
3.6. Tích phân suy rộng phụ thuộc tham số khác
3.6.1. Tính tich phân Dirichlet sinyx
a) Định nghĩa I y dx, y x 0 sinyx hàm f , x y
xác định trên , ở đó f 0, y y x b) Các tính chất.
1/ I y hội tụ đều trên [ ; ], với > 0 (hoặc < 0)
2/ I y sign y 2 3.7. Tính liên tục
Bổ đề. Cho I y f x y ,
dx hội tụ đều trên tập U và dãy số {an} thoả mãn a n a lim a n
, an > a, n. Khi đó dãy hàm n y f x y ,
dx hội tụ đều về hàm n a
số I(y) trên U.
Định lí 1. Cho hàm f liên tục trên [a, ) [ ; ] và tích phân I y f x y , dx hội a
tụ đều trên [ ; ]. Khi đó hàm I(y) liên tục trên [ ; ].
Hệ quả. f liên tục và dương trên miền [a ; ) [ ; ], tích phân f x y , dx hội tụ a
tới hàm liên tục I(y) trên [ ; ]. Khi đó ta có tích phân trên hội tụ đều. 3.8. Tính khả vi
Định lí. Giả thiết rằng
1/ Hàm f liên tục và có đạo hàm riêng f y liên tục trên miền [a ; ) [ ; ]
2/ Tích phân I y f x y ,
dx hội tụ trên [ ; ] a
3/ Tích phân f x y ,
dx hội tụ đều trên [ ; ] a 13
2/9/20142/9/20142/9/20142/9/2014PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Khi đó hàm I(y) khả vi trên [ ; ] và đạo hàm được tính theo công thức Iy f x y , y dx a 3.9. Tính khả tích Định lí. Cho
1/ Hàm f liên tục trên miền [a ; ) [ ; ]
2/ Tích phân I y f x y ,
dx hội tụ đều trên [ ; ] a
Khi đó I(y) khả tích trên [ ; ] và có dy f ,
x y dx dx f x, y dy a a Hệ quả. Cho
1/ f liên tục, dương trên miền [a ; ) [ ; )
2/ Các tích phân J x f x y ,
dy , I y f x y ,
dx hội tụ tới các hàm liên tục a
Khi đó nếu một trong các tích phân sau tồn tại dx f x y ,
dy , dy f x y , dx a a
thì tích phân còn lại cũng tồn tại và chúng bằng nhau.
3.10. Một số ví dụ.
a) Xét sự tồn tại, khả vi của các hàm f x t ixt 1 t e e dt 0 2 ax 2 bx e e ax bx e e b) Tính dx, , a b 0 c) Tính sin mx dx, , a b 0 x x 0 0 arctanax 2 d) Tính dx, a 0 e) Tính ax e cos mx d , x a 0 x(1 2 x ) 0 0
§ 4. Các tích phân Euler
4.1. Tích phân Euler loại 1
a) Định nghĩa. Tích phân Euler loại 1 (hay gọi là hàm Beta) là tích phân phụ thuộc 1 p 1 q 1
hai tham số dạng B , p q x
1 x dx, p 0, q 0 0 b) Tính chất
1/ B(p, q) hội tụ với p > 0, q > 0.
2/ B(p, q) hội tụ đều trên miền [p0 ; p1] [q0 ; q1], ở đó p1 > p0 > 0, q1 > q0 > 0 14
2/9/20142/9/20142/9/20142/9/2014PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
3/ Hàm B(p, q) liên tục
4/ Hàm Beta có tính đối xứng q p
5/ Công thức truy hồi: B p 1, q 1
B p 1, q B , p q 1 . p q 1 p q 1 1
Nói riêng B(1, 1) = 1, B(p + 1, 1) = p 1 n! n!
B p 1, n
B p 1, 1
p np n 1 p 2
p np n 1 p 1 n 1 !m 1 ! n 1 !m 1 ! B , m n B 1, 1
m n 1 !
m n 1 !
4.2. Tích phân Euler loại 2
a) Định nghĩa. Tích phân Euler loại 2 (hay còn gọi là hàm Gamma) là tích phân
phụ thuộc một tham số có dạng p x p x e dx, p 1 0 0 b) Tính chất
1/ (p) hội tụ với mọi p > 0, và hội tụ đều trên miền [p0 ; p1] với p1 > p0 > 0
2/ (p) liên tục
3/ Công thức truy hồi (x 1) x (x),x 0
(n + p) = (n + p 1)(n + p 2) ... p (p). x 1 2 e Nói riêng (1) = 1;
(n + 1) = n!; z dx 2 e dz 2 x 0 0
p q
4/ Liên hệ với B(p, q): B , p q
p q
4.3. Một số ví dụ tính tích phân nhờ hàm Gamma và Beta Ví dụ 1. Tính t e t x x 1 t lnt dt
( x ) 0 2 1 m 1 Ví dụ 2. Tính m ax x e dx , a>0 ( ) m1 2 0 2 2a /2 1 Ví dụ 3. Tính 2p1 sin 2q 1 cos
d , p, q > 0 ( B , q p) 2 0 1 2p 1 2q 1
1 x 1 x Ví dụ 4. Tính
dx , p, q > 0 ( pq2 2 B , p q ) p q 1 1 2 x
HAVE A GOOD UNDERSTANDING! 15
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn GIẢI TÍCH 2 BÀI 5
CHƯƠNG III. TÍCH PHÂN BỘI
A. TÍCH PHÂN HAI LỚP (TÍCH PHÂN KÉP)
3.0. Tính thể tích bằng tích phân lặp b
Đã biết công thức tính thể tích vật thể trong Giải tích I: V S x dx (0.1) a
Diện tích tiết diện thẳng S(x) được tính như sau: y x 2 S x
f x, y dy (0.2) y x 1
Thay (0.2) vào (0.1) ta có b y x 2 b y2(x) V f , x y dy dx dx f ( , x y )dy a y x 1 a 1 y ( x ) 1 x
Ví dụ 1. Tính tích phân lặp I 2ydy dx 0 2 x
Ví dụ 2. Sử dụng tích phân lặp tính thể tích tứ diện giới hạn bởi các mặt phẳng toạ độ và mặt phẳng
x + y + z = 1.
3.1. Tích phân hai lớp trên hình chữ nhật đóng 3.1.1. Định nghĩa
a) Phân hoạch chia hình chữ nhật R = [a ; b] [c ; d] thành hữu hạn các hình chữ n
nhật đóng, đôi một không có phần trong chung và có R i R , i 1
Ri là diện tích hình chữ nhật thứ i, |R| là diện tích hình chữ nhật R;
di là đường chéo hình chữ nhật Ri, d() = max di i 1,n
b) Tổng tích phân n
= (f, , p1, ..., pn) =
f , i i R , i i
p , i i , i 1
Hàm f(x,y) xác định và bị chặn trên R c) Các tổng Đacbu n
Tổng Đacbu dưới: s m i i R i 1 16
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn n
Tổng Đacbu trên: S M i Ri , ở đó i 1 m inf i f ,
x y , M sup i f , x y , i R i R thì có
m|R| s() (f, , p1, ..., pn) S() M|R|
d) Tổng trên không tăng, tổng dưới không giảm
Ta bảo phân hoạch mịn hơn nếu mỗi hình chữ nhật trong phân hoạch
luôn nằm trong hình chữ nhật nào đấy của phân hoạch
Khi mịn hơn , ta có s() s() S() S().
e) Dãy chuẩn tắc các phép phân hoạch
Cho {n} là dãy các phân hoạch hình chữ nhật R. Dãy {n} được gọi là chuẩn tắc
nếu lim d 0 n . n
f) Định nghĩa tích phân kép
Cho f xác định trên hình chữ nhật đóng R, Nếu có lim f , , p , 1 , n p n n p lim
f , i i R i
I (số thực hữu hạn) với mọi dãy chuẩn tắc n i1
{n}: n = {R1, R2, ..., R }, n p
với mọi cách chọn điểm pi = (i ; i) Ri, thì ta có hàm f khả tích trên R và viết
f x y dx dy , I . R
3.1.2. Điều kiện khả tích
Định lí 1. Hàm f khả tích trên R đóng f bị chặn
Định nghĩa. {n} là dãy chuẩn tắc bất kì. Ta gọi lim s n ( lim S n ) là tích n n
phân dưới hai lớp (tích phân trên hai lớp) và kí hiệu là f x y , dx dy R ( f x y , dx dy ) R Định lí 2. Ta có
1/ s f ( , x y )dxdy
f x, y dx dy S R R
2/ sup s
f x, y
dx dy , inf S
f x, y dx dy , P R P R R R 17
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
P (R) là tập tất cả các phân hoạch của R. Định lí 3.
Cho f bị chặn trên R . Khi đó f khả tích trên R
f (x,y )dxdy f , x y dx dy R R
Định lí 4. Cho f bị chặn trên R . Khi đó f khả tích trên R > 0, bé tuỳ ý,
phân hoạch của R sao cho S() s() <
Định lí 5. f liên tục trên R thì f khả tích trên R.
Định lí 6. f xác định và bị chặn trên R , có f liên tục trên R\E, ở đó E R và |E| = 0
f khả tích trên R.
3.2. Độ đo Peanno – Jourdan
Độ đo. Tìm lớp M 2 để A M có độ đo là m(A) thoả mãn:
1/ 0 m(A) +
2/ Mọi hình chữ nhật M và có m() = ||
3/ Mọi A, B M, rời nhau thì có
m(A B) = m(A) + m(B)
Độ đo Peanno – Jordan. Cho A 2 , ta gọi độ đo ngoài của nó là n n m A inf : , ở đó i i A
i là những hình chữ nhật. i 1 i 1
Nếu A 0 nào đó thì ta gọi độ đo trong của nó là m A m A . 0 0 \
Tập A được gọi là đo được m(A) = m(A) và khi đó ta định nghĩa m(A) = m(A) = m(A)
Độ đo Peanno-Jordan thoả mãn các tiên đề về độ đo.
3.3. Tích phân hai lớp trên tập hợp bị chặn
a) Định nghĩa. R là hình chữ nhật đóng, tập bị chặn D R, hàm f gọi là xác định trên D, và f ,
x y , x, y D 0
f x, y 0, x, y R \ D
Nếu f0 khả tích trên R thì ta bảo f khả tích trên D và định nghĩa f , x y dx dy
f x, y 0 dx dy D R 18
PGS. TS. Nguyễn Xuân Thảo
thao.nguyenxuan@mail.hust.edu.vn
Định lí 7. D giới nội trong R, f bị chặn, f 0 trên D. Nếu f khả tích trên D thì tập A x y z 3 , ,
: x, y ,
D 0 z f ,
x y (vật thể hình trụ)
đo được theo nghĩa Jordan trong 3 và thể tích của A là A f x y , dxdy D
Định lí 8. Tập D giới nội trong 2 , XD(x, y) = 1, (x, y) D. Tập D đo được theo
nghĩa Jordan XD khả tích trên D, khi đó ta có D X x, D y dx dy dxdy D D
Hệ quả 1. Tập D bị chặn trong 2 thì D đo được theo nghĩa Jordan |D| = 0
Hệ quả 2. Hàm số f : [a ; b] khả tích trên đoạn [a ; b] thì đồ thị của f có diện tích 0.
Hệ quả 3. D giới nội trong 2 , D là hợp của hữu hạn cung được xác định bởi
các hàm số liên tục thì D là tập hợp đo được.
Miền giới nội trong 2 thoả các điều kiện của Hệ quả 3 được gọi là miền chính quy trong 2 b) Tính chất
1/ Cộng tính. D = D1 D2 bị chặn trong 2 , |D1 D2| = 0, f khả tích trên D1, D2
f khả tích trên D và có
f x, y dx dy f , x y dx dy
f x, y dx dy D 1 D 2 D
2/ Tuyến tính. D bị chặn trong 2 , f, g khả tích trên D f + g khả tích trên D và có
f x y g x y , , dx dy D
f x, y dx dy g ,
x y dx dy, , D D
3/ Bảo toàn thứ tự. Hai hàm f, g khả tích trên tập bị chặn D 2 , và có f(x, y)
g(x, y), (x, y) D. Khi đó
f x, y dx dy g , x y dx dy . D D
Hệ quả 4. Nếu m f(x, y) M, (x, y) D, thì có m D
f x y dx dy , M D D Hệ quả 5.
f x, y dx dy f , x y dx dy D D 19