Tài liệu giảng dạy môn Toán cao cấp (Ngành Khoa học cây trồng)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Tài liệu giảng dạy môn Toán cao cấp (Ngành Khoa học cây trồng) gồm có 5 chương, cung cấp cho người học những kiến thức về: Giới hạn dãy số, giới hạn hàm số một biến số; đạo hàm và vi phân của hàm một biến số; tích phân của hàm một biến số; phép tính vi phân hàm nhiều biến; phương trình vi phân. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu giảng dạy môn Toán cao cấp (Ngành Khoa học cây trồng)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BỘ MÔN TOÁN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN TOÁN CAO CẤP (NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG) GV biên soạn: Phạm Minh Triển Trà vinh, năm 2015 Lƣu hành nội bộ
MỤC LỤC Nội dung Trang Chương I: Giới hạn dãy số, giới hạn hàm số một biến số ......................................................... 3 Bài 1: Tập hợp, ánh xạ............................................................................................................... 3 Bài 2: Giới hạn của dãy số......................................................................................................... 9 Bài 3: Giới hạn của hàm số ..................................................................................................... 11 Bài 4: Hàm số liên tục ............................................................................................................. 17 Chương II: Đạo hàm và vi phân của hàm một biến số ............................................................ 19 Bài 1: Đạo hàm của hàm số một biến số ................................................................................. 19 Bài 2: Vi phân của hàm số một biến số ................................................................................... 23 Bài 3: Một số ứng dụng của đạo hàm ...................................................................................... 26 Chương III: Tích phân của hàm một biến số ........................................................................... 30 Bài 1: Tích phân bất định ........................................................................................................ 30 Bài 2: Tích phân xác định ........................................................................................................ 38 Bài 3: Tích phân suy rộng ....................................................................................................... 43 Chương IV: Phép tính vi phân hàm nhiều biến ....................................................................... 47 Bài 1: Hàm nhiều biến và phép tính vi phân hàm nhiều biến.................................................. 47 Bài 2: Cực trị của hàm nhiều biến ........................................................................................... 53 Chương V: Ma trận, định thức và hệ phương trình tuyến tính ................................................ 56 Bài 1: Ma trận .......................................................................................................................... 56 Bài 2: Định thức ...................................................................................................................... 60 Bài 3: Hệ phương trình tuyến tính ........................................................................................... 67 Chương VI: Phương trình vi phân ........................................................................................... 75 Bài 1: Phương trình vi phân cấp 1 ........................................................................................... 75 Bài 2: Phương trình vi phân cấp hai ........................................................................................ 80 Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 85 Tài liệu giảng dạy Môn: Toán Cao cấp
CHƢƠNG I GIỚI HẠN DÃY SỐ, GIỚI HẠN HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ BÀI 1 TẬP HỢP, ÁNH XẠ Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Trình bày được các khái niệm về tập hợp và ánh xạ, - Thực hiện các phép toán trên tập hợp và ánh xạ - Trình bày được khái niệm số phức, các phép toán về số phức - Trình bày được khái niệm hàm số và tính chất của hàm số. 1.Tập hợp 1.1 Khái niệm Tập hợp là một khái niệm dùng để chỉ một tổng thể nhiều đối tượng có một số tính chất nào đó. Các tập hợp thường được ký hiệu: A, B, C,... Mỗi đối tượng trong một tập hợp nào đó gọi là một phần tử của tập hợp, ký hiệu một phần tử x thuộc tập hợp A là x  A , ngược lại ta ký hiệu x  A Tập hợp không chứa phần tử nào gọi là tập rỗng, ký hiệu:  . Xét hai tập hợp A và B , nếu mọi phần tử của A đều là phần tử của B thì ta nói A chứa trong B , ký hiệu A  B , hoặc là ta nói A là một bộ phận của B hay là tập con của B . Nếu A  B và B  A ta nói A  B . Lưu ý rằng A và  là hai tập con hiển nhiên của tập A bất kỳ. Ví dụ: N  0,1,2,3,...: Tập hợp các số tự nhiên. Z  ...,3,2,1,0,1,2,3,...: Tập hợp các số nguyên a  Q   , a  Z , b  Z , b  0 : Tập hợp các số hữu tỉ b  R : Tập hợp các số thực   C  a  ib, a  R, b  R, i 2  1 : Tập hợp các số phức Và N  Z  Q  R  C . 1.2. Các phép toán trên tập hợp. 1.2.1. Phép hợp: Hợp của hai tập hợp A và B là một tập hợp gồm các phần tử hoặc thuộc A , hoặc thuộc B . Ký hiệu: C  A  B  x : x  A  x  B Ví dụ: A  a, b, c, d , B  a, b, e, f  thì A  B  a, b, c, d , e, f  1.2.2.Phép giao: Giao của hai tập hợp A và B là một tập hợp gồm các phần tử vừa thuộc A , vừa thuộc B . Ký hiệu: C  A  B  x : x  A  x  B. Ví dụ: A  a, b, c, d , B  a, b, e, f  thì A  B  a, b. 1.2.3.Phép hiệu: Hiệu của hai tập hợp A và B là một tập hợp gồm các phần tử chỉ thuộc A mà không thuộc B . Ký hiệu: C  A \ B  x : x  A  x  B. Ví dụ: A  a, b, c, d , B  a, b, e, f  thì A \ B  c, d  . 2. Ánh xạ. 3 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
Một ánh xạ từ tập A vào tập B là một tương ứng f sao cho x  A có phần tử duy nhất y  B ứng với x . Ký hiệu: f :AB x y x : gọi là tạo ảnh của y qua f y : gọi là ảnh của x qua f , ký hiệu y  f (x) A : gọi là tập nguồn (tập xác định), B gọi là tập đích (tập giá trị) của ánh xạ f Phân loại ánh xạ: a/ f gọi là đơn ánh  f ( x1 )  f ( x2 ) thì x1  x2 b/ f gọi là toàn ánh  x  B thì y  B để y  f (x) c/ f gọi là song ánh  f vừa là đơn ánh vừa là toàn ánh. 3. Sơ lƣợc về tập hợp số phức C 3.1. Định nghĩa: Cho tập hợp C  z  a  ib, a  R, b  R, i 2  1 , trên tập hợp này ta định nghĩa hai phép toán cộng và nhân như sau: z1  z2  (a  ib)  (c  id )  (a  c)  i (b  d ) z1.z2  (a  ib).(c  id )  (ac  bd )  i (ad  bc) a  b Hai số phức (a  ib)  (c  id )   b  d Dạng z  a  ib gọi là dạng đại số của số phức. Cho số phức z  a  ib thì a gọi là phần thực ký hiệu Re(z), b gọi là phần ảo ký hiệu Im(z), i gọi là đơn vị ảo của số phức z  a  ib . Ta ký hiệu z là modun của số phức z  a  ib và z  a 2  b2 . Cho số phức z  a  ib , số phức z gọi là số phức liên hợp của z nếu z  a  ib . * Một số tính chất: e / z  R; z  0  z  0 a/z  z f / z  z. z 2 b/ z z  z z 1 2 1 2 c / z1.z2  z1.z2 g/ z  z z  z h / z1.z2  z1 . z2 d / 1  1  z2  z2 z1 z i/  1 z2 z2 3.2. Biểu diễn hình học của số phức: Trong mặt phẳng tọa độ Oxy, cho điểm M (a, b) và số phức z  a  ib , ta gọi OM  z  a 2  b2  r     (OM , Ox)  Argument(z) , ký hiệu Arg ( z ) và 0  Arg(z)  2 Lúc này ta có thể xem số phức z  a  ib là một điểm M (a, b) trên mặt phẳng Oxy với hoành độ và tung độ tương ứng là phần thực và phần ảo của số phức a  r cos  Từ đây ta có  và z  a  ib  r (cos +isin ) ta gọi đây là dạng lượng  b  r sin  giác của số phức. 4 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
3.3. Lũy thừa và căn số của số phức: i/ x  R ta ký hiệu: eix  cosx+isinx , từ đây ta có một số tính chất sau: a / x, y  R : ei ( x  y )  eix .eiy 1   n b / x  R : e ix  ix  n  Z , x  R : eix  eixn e c / x  R : eix  e ix Số phức dạng z  eix ta gọi là dạng cực.   n ii/ Từ công thức n  Z , x  R : eix  eixn , ta có: e   eixn   cosx+isinx   cosnx+isinnx (Công thức Moivre) n n ix iii/ Cho số phức z  C , xét n z , đặt Z  n z suy ra Z n  z . z  r (cos +isin ) Nếu thì Z=r / (cos +isin )  Zn =(r / ) n (cosn +isinn )  r/  n r  r  (r / n )  r (cos +isin )  (r / ) n (cosn +isinn )      k 2 n    k 2   , k  0, n  1  n  +k2  +k2 Vậy n z  n r (cos( )  isin( )), k  0, n  1 n n 1   k 2 i( ) i Hơn nữa: nếu z  e thì z  r e n n n , k  0, n  1 3.4. Một số ví dụ: i/ Biểu diễn các số phức dưới đây thành dạng lượng giác và dạng cực, sau đó khai căn với bậc được chỉ ra: 1 3 a / z  1, z , 3 z ; b / z  i, z , 4 z ; c / z  1  i, 3 z , 5 z ; d / z   i , z, 4 z; 2 2 ii/ Giải các phương trình sau trên C: a / z 2  z  1  0; b / z 2  2 zcos  1  0,   R; c /(3  i ) z 2  (8  6i ) z  25  5i  0; d /( z 2  8 z ) 2  40( z 2  8 z )  375  0 e /( z  i ) 4  ( z 2  1) 2  ( z  i ) 4  0 f / z 3  (1  2i) z 2  (1  i) z  2i  0 , biết rằng phương trình có một nghiệm thuần ảo. g / z 4  4iz 2  12(1  i) z  45  0 , biết rằng phương trình có một nghiệm thực và một nghiệm thuần ảo. iii/ Hãy tìm căn bậc 4 của số phức z  8a 2  (1  a 2 )2  4a(1  a 2 )i; a  R iv/ Hãy biểu diễn cos 2 x,sin 2 x, cos3x,sin3x,cos4x,sin5x,... qua lũy thừa của sinx,cosx 4. Hàm số 4.1.Khái niệm hàm số Cho D  R . Ánh xạ f : D  R được gọi là một hàm số xác định trên D , trong đó : D gọi là miền xác định của f ; T  f ( x) x  D gọi là miền giá trị của f 5 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
4.2.Tính chất: Hai hàm số y  f (x) , y  g (x) , y  F (x) i/ f  g khi và chỉ khi f , g có cùng miền xác định D và x  D : f ( x)  g ( x) x2  1 Ví dụ: f ( x)  , g ( x)  x  1 . x 1 ii/ f  g khi và chỉ khi f , g có cùng miền xác định D và x  D : f ( x)  g ( x) iii/ F  f  g  x  D là miền xác định của F thì F ( x)  f ( x)  g ( x) . Hiệu, tích, thương của f , g được định nghĩa tương tự. iv/ Hàm số y  f (x) gọi là tăng hay đồng biến  x1, x2  D : x1  x2  f ( x1 )  f ( x2 ) v/ Hàm số y  f (x) gọi là giảm hay nghịch biến  x1, x2  D : x1  x2  f ( x1 )  f ( x2 ) Ví dụ: a/Hàm số y  x3 tăng trên toàn miền xác định của nó. b/ Hàm số y  x 2 tăng trên (0,) , và giảm trên (,0) c/ Hàm số y  f (x) gọi là bị chặn trong D nếu k  0 : f ( x)  k , x  D . Ví dụ: Hàm số y  cos x, y  sin x là bị chặn trong  1;1 vii/ Hàm số y  f (x) gọi là hàm số chẵn trên miền đối xứng (a; a) nếu x  (a; a) : f ( x)  f ( x) viii/ Hàm số y  f (x) gọi là hàm số lẻ trên miền đối xứng (a; a) nếu x  (a; a) : f ( x)   f ( x) Ví dụ: a/ y  x 2 , y  cos x, y  x sin x, y  2 là các hàm số chẵn x b/ y  x3 , y  x cos x, y  sin x là các hàm số lẻ ix/ Hàm số y  f (x) gọi là hàm số tuần hoàn nếu tồn tại số l  0 sao cho f ( x  l )  f ( x) , số dương bé nhất trong các số l trên gọi là chu kỳ của hàm số tuần hoàn y  f (x) . Ví dụ: Hàm số y  sin x, y  cos x tuần hoàn với chu kỳ 2 , Hàm số y  tan x, y  cot anx tuần hoàn với chu kỳ  . 4.3. Hàm số hợp. f : X Y g :Y  Z h: X  Z Khái niệm: Cho và , hàm số gọi là x  y  f ( x) y  z  g ( x) x  z  h( x ) hàm số hợp của f , g , ký hiệu: h  g.h khi z  g (h( x)) Ví dụ: Cho f ( x)  x 2  1, g ( x)  sin 2 x . Tìm f . f , g.g , f .g , g. f . Ta có a/ f . f ( x)  f ( f ( x))  ( f ( x))2  1  ( x 2  1)2  1 b/ g.g ( x)  g ( g ( x))  sin 2( g ( x))  sin 2(sin 2 x) 4.4. Hàm số ngƣợc. f : X Y Cho hàm số , nếu f là một song ánh thì f 1 là hàm số ngược của x  y  f ( x) f. y2 x2 Ví dụ: a/ y  2 x  2 thì hàm số ngược của nó là x  ( hoặc y  ) 2 2 b/ y  log a x thì hàm số ngược của nó là x  a y ( hoặc y  a x ) 4.5. Một số hàm số sơ cấp cơ bản: 6 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
4.5.1 Hàm số: y  x ,  R , miền xác định của nó phụ thuộc vào  a/ Nếu   N thì D  R b/ Nếu   Z  thì D  R \ o c/ Nếu  Q  thì D  R  d/ Nếu  Q  thì D  R  \ 0 4.5.2. Hàm số: y  a x , a  0, a  1 , xác định x  R  \ 0, hàm số tăng khi a  1 , giảm khi 0  a  1. 4.5.3 Hàm số: y  log a x, a  0, a  1 , là hàm số ngược của y  a x xác định khi x  0 , hàm số tăng khi a  1 , giảm khi 0  a  1 . Một số tính chất cần lưu ý a/ log a x. y  log a x  log a y x b/ log a  log a x  log a y y  c/ log a b   log a b  d/ N  log a a N e/ log a b  log a c log c b 4.5.4 Các hàm số lƣợng giác. y  sin x, y  cos x miền xác định là R  y  tan x, xác định khi x  (2k  1) , k  Z 2 y  cot anx, xác định khi x  k , k  Z * Lưu ý các công thức lượng giác cơ bản. 4.5.5. Các hàm số lƣợng giác ngƣợc y  arcsin x là hàm số ngược của y  sin x y  arccos x là hàm số ngược của y  cos x y  arctan x là hàm số ngược của y  tan x y  arc cot anx là hàm số ngược của y  cot anx Nếu y  sin x thì hàm ngược của nó là x  arcsin y Ta có hai đẳng thức sau:   arcsin x  arccos x  , arctan x  arc cot anx  2 2 Chứng minh:  Đặt A  arcsin x, B  arccos x  x  sin A  cos B  sin(  B) 2   Vậy A   B  A B  . 2 2 4.5.6 Các hàm Hyperpol Các hàm hyperbol là những hàm số được xác định bởi các đẳng thức sau: e x  e x shx  đọc là hàm sin hyperbol 2 7 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
e x  e x chx  đọc là hàm cosin hyperbol 2 shx e x  e x thx   đọc là hàm tang hyperbol chx e x  e x chx e x  e x cthx   đọc là hàm cotang hyperbol shx e x  e x Hàm cosin hyperpol là hàm chẵn, các hàm sin hyperbol, tang hyperbol, cotang hyperbol là các hàm lẻ; Và sh0  0, ch0  1, ch2 x  sh2 x  1, thx.cthx  1 8 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
BÀI 2 GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Trình bày được các khái niệm về giới hạn dãy số và tính chất của giới hạn dãy số - Tìm được giới hạn của một số dãy số cơ bản 1. Khái niệm: 1.1Định nghĩa 1: Hàm số u : N *  R . Những giá trị của hàm số ứng với n  1,2,3,..., n,... gọi là dãy số. Đặt u1  u(1), u2  u(2),..., un  u(n),... Dãy số được viết dưới dạng un  hoặc u1 , u2 , u3 ,..., un ,... , các số ui gọi là các số hạng của dãy, un gọi là số hạng tổng quát của dãy.  n  Ví dụ: a/Dãy un    1 2 n  là dãy số : , ,..., ,...  n  1 2 3 n 1   b/ Dãy un   n2 là dãy số : 1, 4,9,..., n2 ,... 1.2 Định nghĩa 2: Số a được gọi là giới hạn của dãy số un  khi n   , ký hiệu lim un  a hay un  a khi n   , nếu   0, N  0 : n  N thì un  a   . n  Dãy số có giới hạn thì gọi là hội tụ, ngược lại gọi là phân kỳ. n Ví dụ: Chứng minh rằng lim  1 . Thật vậy,   0 bé tùy ý, ta có thể chọn một số rất n  n  1 1 bé cụ thể nào đó, chẳng hạn   4 . 10 n 1 1 1 Muốn cho un  a    1  4   4  n  104  1 . Thì ta phải n 1 10 n  1 10 chọn N  10  1 , lúc này ta sẽ có un 1   4 1.3 Định nghĩa 3: Dãy un  dần dến vô cùng khi n tiến đến vô cùng nếu với M  0 lớn tùy ý , có số nguyên dương N sao cho với mọi n  N , ta luôn có un  M . Ký hiệu: lim un   n  Ví dụ: Chứng minh rằng lim n   . Thật vậy: nếu chọn M  105 , muốn cho n  n  10  n  10 thì ta chọn N  1010 . Lúc này n  1010  5 10 n M 1.4 Định nghĩa 4: Dãy un  gọi là vô cùng lớn lim un   , Dãy un  gọi là vô cùng bé n  1 lim un  0 . Lưu ý rằng nếu un  là vô cùng lớn thì   là vô cùng bé và ngược lại. n   un  2. Các định lý về giới hạn của dãy 2.1. Các tính chất: a/ Nếu dãy un  có giới hạn là a và a  p(a  p) thì tồn tại N sao cho với mọi n  N thì un  p(un  p) . b/ Nếu dãy un  có giới hạn là a và un  p(un  p), n thì a  p(a  p). c/ Nếu dãy un  có giới hạn là a thì a là duy nhất. d/ Nếu dãy un  có giới hạn thì nó bị chặn, tức là k  0 : un  k , n . 2.2. Các định lý: 2.2.1 Định lý 1: Cho lim un  a, lim vn  b , n  n  9 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
a/ Nếu un  vn , n thì a  b b/ Nếu un  vn , n thì a  b 2.2.2 Định lý 2: Nếu un  vn  wn và lim un  lim wn  a thì lim vn  a n  n  n  1 1 1 1 Ví dụ: Tính I  lim (   ...  ) n  n 1 2 n 2 2 n 3 n n 2 2 1 1 1 1 Đặt vn     ...  n2  1 n2  2 n2  3 n2  n n n Và  vn  n 1 2 n n 2 n n Mặt khác lim  lim 1 n  n 2  1 n  n 2  n Theo định lý trên thì lim vn  1 n  2.2.3.Các phép tính của giới hạn dãy số : Nếu các dãy un  , vn  hội tụ a/ thì dãy un  vn cũng hội tụ và lim un  vn   lim un  lim vn . n  n  n  b/ thì dãy un .vn  cũng hội tụ và lim un .vn   lim un . lim vn . Hơn nữa: n  n  n  lim k.vn   k. lim vn n  n  u   u  lim un + thì dãy  n  cũng hội tụ và lim  n   n  , lim vn  0 . n  v vn n   vn   n  nlim Một số công thức giới hạn dãy số thường gặp: 0 0  a  1 1 a. lim a n   , b. lim n a  1, a  0 , c. lim n n  1 , d. lim (1  ) n  e n     a 1 n  n  n  n Bài tập: 1. Tìm các giới hạn: 2 n 3  2n 2  n  3 2n 2  n  3 2n6  3n 4  5 a. lim , b. lim , c. lim , d. lim 3 1  n3 . n  n  4n  6 3 n  n  5n  2 4 n  n  5n  2 4 n  2. Tìm các giới hạn: 2n 4  n  7 n  n 2  2n  3 a. lim , b. lim , c. lim ( n2  n  3  n) , n  n 2  5n  2 n  3  2n  1 2 n  1 d. lim ( 3n2  n  3  n 3 ) , e. lim ( n2  n  n2  1) , f. lim . n  n  n  ( n  2  n2  4 ) 2 3. Cho q  1 , đặt Sn  1  q  q 2  q3  ...  q n . Tìm lim Sn . n  2  4.3 n 3.2n  5.7 n n Áp dụng: Tìm các giới hạn: a. lim , b. lim n   5  7.3n n   4n  3.5n 1 1 n 1 n n n 1 4. Tìm các giới hạn: a. lim (1  ) n , b. lim (1  )3n , c. lim ( ) , d. lim ( ) n  n n   2n n   n 1 n   n 1 10 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
BÀI 3 GIỚI HẠN CỦA HÀM SỐ Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Trình bày được các khái niệm về giới hạn hàm số và tính chất của giới hạn hàm số - Tìm được giới hạn của một số hàm số cơ bản 1. Khái niệm: 1.1 Định nghĩa 1: Số a được gọi là giới hạn của hàm số y  f (x) khi x dần về x0 nếu   0,   0 : x  x0    f ( x)  a   . Ký hiệu lim f ( x)  a . x  x0 x 4 2 Ví dụ: Chứng minh rằng lim  4 . Ta chọn một  bé tùy ý cụ thể, chẳng hạn x2 x  2 1 x2  4 1 1 1   6 . Muốn cho  4  6  x  2  6 thì ta chọn     6 . Lúc này ta 10 x2 10 10 10 x2  4 1 x2  4 sẽ có  4  6 và lim  4. x2 10 x2 x  2 1.2 Định nghĩa 2: Ta gọi a là giới hạn của y  f (x) khi x   nếu   0, A  0 : x  A  f ( x)  a   . Ký hiệu: lim f ( x)  a x  Đặc biệt: a/ lim f ( x)  a    0, A  0 : x  A  f ( x)  a   x   b/ lim f ( x)  a    0, A  0 : x   A  f ( x)  a   x   x 1 Ví dụ: Chứng minh rằng : lim  1 vì x  0, f ( x)  1    . Ta chọn A là số x   x  1 x 1 1 x dương lớn hơn thì x  A   f ( x)  1   . Vậy lim 1   x   x  1 1.3 Định nghĩa 3: Ta nói hàm số y  f (x) có giới hạn bằng vô cùng khi x  x0 nếu: M  0,  : x    f ( x)  M . Ký hiệu lim f ( x)   x  x0 Đặc biệt; a/ lim f ( x)    M  0,   0 : x  x0    f ( x)  M x  x0 b/ lim f ( x)    M  0,   0 : x  x0    f ( x)  M x  x0 1 Ví dụ: lim  x 1 1  x 1.4 Định nghĩa 4: Ta nói hàm số y  f (x) có giới hạn bằng vô cùng khi x   nếu: M  0, A : x  A  f ( x)  M . Ký hiệu lim f ( x)   x  Đặc biệt: a/ lim f ( x)    M  0, A  0 : A  f ( x)  M x   b/ lim f ( x)    M  0, A  0 : x   A  f ( x)  M x   c/ lim f ( x)    M  0, A  0 : x   A  f ( x)  M x   11 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
d/ lim f ( x)    M  0, A  0 : x  A  f ( x)  M x   Ví dụ: lim ln x   x   2. Một số công thức giới hạn: sin x tan x a/ lim 1 f/ lim 1 x 0 x x 0 x arcsin x arctan x b/ lim 1 g/ lim 1 x 0 x x 0 x ax 1 ex  1 c/ lim  ln a, a  0 h/ lim 1 x 0 x x 0 x (1  x)  1 ln(1  x) d/ lim  i/ lim 1 x 0 x x 0 x 1 1 e/ lim (1  x) x  e k/ lim (1  ) x  e x 0 x  x 3. Giới hạn một phía 3.1 Định nghĩa: Số a được gọi là giới hạn phải (trái) của f (x) tại x0 khi x tiến về bên phải (trái) x0 . Ký hiệu: lim f ( x)  a ( lim f ( x)  a ) x  x0 x  x0 1 1 Ví dụ:a/ Dễ thấy lim   và lim   x o  x x o  x sin x b/Xét hàm số f ( x)  tại x  0 , ta có: x sin x sin x sin x sin x lim  lim  1 và lim  lim  1 x 0 x x 0 x x 0 x x 0  x 3.2 Định lý: Điều kiện cần và đủ để  lim f ( x) là  lim f ( x),  lim f ( x) và x x 0 x  x0 x  x0 lim f ( x)  lim f ( x) x  x0 x  x0 4. Các định lý và tính chất về giới hạn: 4.1.Tính chất: a/Nếu f ( x)  C thì lim f ( x)  C x  x0 b/ Giới hạn a nếu có của hàm số là duy nhất. 4.2.Các định lý về phép tính giới hạn: Giả sử lim f ( x)  C , lim g ( x)  B thì: x  x0 x  x0 a/ lim ( f ( x)  g ( x))  C  B x  x0 b/ lim ( f ( x).g ( x))  C.B x  x0 f ( x) C c/ lim ( )  ,B  0 x  x0 g ( x) B Hệ quả: a/ lim k. f ( x)  k.C x  x0 n n b/ lim ( fi ( x))   lim fi ( x) x  x0 x  x0 i 1 i 1 12 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
c/ lim ( f1 ( x). f 2 ( x). f3 ( x)..... f n ( x))  lim f1 ( x). lim f 2 ( x). lim f3 ( x)..... lim f n ( x) x  x0 x  x0 x  x0 x  x0 x  x0 Đặc biệt: lim ( f ( x))  ( lim f ( x)) n n x  x0 x  x0 4.3. Các tiêu chuẩn tồn tại giới hạn a/ Tiêu chuẩn Cauchy ( Tiêu chuẩn 1): Điều kiện cần và đủ để tồn tại giới hạn của f (x) khi x  x0 là:   0,   0 sao cho x1 , x2 thỏa 0  x1  x0   ,0  x2  x0   thì f ( x1 )  f ( x2 )   b/ Tiêu chuẩn 2: Cho f (x) xác định x  0 . Nếu * f (x) đơn điệu tăng * f (x) bị chặn trên Thì  lim f ( x) x x 0  f ( x )  h( x )  g ( x )  c/ Tiêu chuẩn 3: Nếu  lim f ( x)  lim g ( x)  a thì lim h( x)  a x  x0   x  x0 x  x0 sin 2 (n! x) sin 2 (n! x) 1 sin 2 (n! x) Ví dụ: Tính lim . Ta có 0   . Suy ra lim 0 x  x2 x2 x2 x  x2 5. Vô cùng bé và vô cùng lớn 5.1. Vô cùng bé. 5.1.1 Khái niệm: Hàm số f (x) gọi là vô cùng bé (VCB) khi x  x0 nếu lim f ( x)  0 x  x0 Ví dụ: a/ lim sin x  0  f ( x)  sin x là VCB x 0 b/ lim tan x  0  f ( x)  tan x là VCB x 0 1 1 c/ lim  0  f ( x)  là VCB x  x x 5.1.2 Định lý:  lim f ( x)  a  f ( x)  a là VCB khi x  x0 x  x0 Hay là: f ( x)  a   ( x) ,  (x) là VCB khi x  x0 5.1.3 Tính chất: a/VCB.C=VCB b/VCB  VCB=VCB c/VCB.BC=VCB d/VCB.HT=VCB Trong đó C- hằng số, BC- đại lượng bị chặn, HT- đại lượng hội tụ sin x 1 Ví dụ: lim  lim .sin x  o với sin x là đại lượng bị chặn. x  x x  x 5.1.4 So sánh các vô cùng bé: Cho f ( x), g ( x) là hai VCB khi x  x0 . Giả sử tồn tại f ( x) lim ( )  A,0  A   . Khi đó x  x 0 g ( x) a/ Nếu A  0 thì ta nói f (x) là VCB bậc cao hơn g (x) hay g (x) là VCB bậc thấp hơn f (x) , khi đó ta ký hiệu f ( x)  O( g ( x)) b/Nếu 0  A   thì ta nói f (x) và g (x) là hai VCB cùng hay cùng cấp, đặc biệt khi A  1 ta nói f (x) và g (x) là hai VCB tương đương, khi đó ta ký hiệu f ( x) ~ g ( x) c/Nếu A   thì ta nói g (x) là VCB bậc cao hơn f (x) hay f (x) là VCB bậc thấp hơn g (x) , khi đó ta ký hiệu g ( x)  O( f ( x)) . 13 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
Ngược lại nếu giới hạn trên không tồn tại thì ta nói g (x) và f (x) không so sánh được. 5.1.5 Định lý: a/ Nếu f ( x) ~ g ( x), h( x) ~ t ( x) trong đó f ( x), g ( x) là hai VCB khi x  x0 thì f ( x) h( x ) lim ( )  lim ( ). x  x0 g ( x) x  x 0 t ( x) b/Giả sử fi ( x), g j ( x), i  1, n; j  1, m là các VCB khi x  x0 . Khi đó f1 ( x)  f 2 ( x)  ...  f n ( x) f i ( x) lim ( )  lim ( 0 ) .Trong đó fi0 ( x) là VCB bậc thấp nhất x  x0 g1 ( x)  g 2 ( x)  ...  g m ( x) x  x0 g j0 ( x) trong các fi (x) và g j0 ( x) là VCB bậc thấp nhất trong các g j (x) Ví dụ: Khi x  0 thì các VCB sau là tương đương: sin x ~ x, tan x ~ x, arcsin x ~ x, arctan x ~ x, ln( x  1) ~ x, e x  1 ~ x, (1  x)a  1 ~ ax, a x  1 ~ x ln a sin 5 x Ví dụ: Tính lim . Ta có khi x  0 thì sin 5x ~ 5x, e2 x  1 ~ 2 x e 1 2x x 0 sin 5 x 5x 5 Vậy lim 2 x  lim  x 0 e 1 x  0 2x 2 5.2. Vô cùng lớn. 5.2.1 Khái niệm: Hàm số f (x) gọi là vô cùng lớn (VCL) khi x  x0 nếu lim f ( x)   x  x0 Ví dụ: a/ lim tan x    f ( x)  tan x là VCL  x 2 b/ lim cot anx    f ( x)  cot anx là VCL x 0 1 1 c/ lim    f ( x)  là VCL x 0 x x 5.2.2 Tính chất: a/ VCL.VCL=VCL b/ VCL+BC=VCL c/ VCL+HT=VCL d/ Tổng hai VCL có thể không là VCL, nhưng tổng hai VCL cùng dấu là VCL 1 1 e/  VCB,  VCL VCL VCB Trong đó BC- đại lượng bị chặn, HT- đại lượng hội tụ 5.2.3 So sánh các vô cùng lớn: Cho f ( x), g ( x) là hai VCL khi x  x0 . Giả sử tồn tại f ( x) lim ( )  A,0  A   . Khi đó x  x 0 g ( x) a/ Nếu A  0 thì ta nói f (x) là VCL bậc thấp hơn g (x) hay g (x) là VCL bậc cao hơn f (x) b/ Nếu 0  A   thì ta nói f (x) và g (x) là hai VCL cùng hay cùng cấp, đặc biệt khi A  1 ta nói f (x) và g (x) là hai VCL tương đương, khi đó ta ký hiệu f ( x) ~ g ( x) c/ Nếu A   thì ta nói f (x) là VCL bậc cao hơn g (x) hay g (x) là VCL bậc thấp hơn f (x) Ngược lại nếu giới hạn trên không tồn tại thì ta nói g (x) và f (x) không so sánh được. 14 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
5.2.4 Định lý: a/ Nếu f ( x) ~ g ( x), h( x) ~ t ( x) trong đó f ( x), g ( x) là hai VCL khi x  x0 thì f ( x) h( x ) lim ( )  lim ( ). x  x0 g ( x) x  x 0 t ( x) b/ Giả sử fi ( x), g j ( x), i  1, n; j  1, m là các VCL khi x  x0 . Khi đó f1 ( x)  f 2 ( x)  ...  f n ( x) f i ( x) lim ( )  lim ( 0 ) .Trong đó fi0 ( x) là VCL bậc cao nhất trong x  x0 g1 ( x)  g 2 ( x)  ...  g m ( x) x  x0 g j0 ( x) các fi (x) và g j0 ( x) là VCL bậc cao nhất trong các g j (x) x5  x3  2 x 2  x  7 x5  x3  2 x 2  x  7 x5 Ví dụ: Tính lim . Ta có lim  lim 0 x 0  2 x 7  4 x 6  3x  2 x 0  2 x 7  4 x 6  3x  2 x 0  2 x 7 Lưu ý: Trong quá trình giải các bài tập ta sẽ gặp các dạng vô định: 0  , ,0.,   ,00 , 0 ,0 ,1 0  Bài tập: 1. Tìm các giới hạn: x x x 1 1 x x x a. lim , b. lim , c. lim x  x  x , d. lim x   x 1 x 0 x x   x   x 1 x 3 x 4 x x 2 e. lim , f. lim 2 , g. lim (3 x3  x 2  1  x) , x   2x  1 x  4 ( x  5 x  4) x  h. lim (3 ( x  a)( x  b)( x  c)  x) , i. lim ( x  x  x  x ) . x  x  2. Tìm các giới hạn: ( x 2  x  2) 20 (1  x)5  (1  5 x) a. lim 3 , b. lim , c. x  2 ( x  12 x  16)10 x 0 x 2  x5 ( x  1)( x  2)( x  3)( x  4)( x  5) lim x   (5 x  1)5 (2 x  3)30 (3x  2) 20 ( x  1)( x 2  1)( x3  1)...( x n  1) d. lim , e. lim n 1 , x   (2 x  1)50 x   ((nx)  1) 2 n x  x 2  x3  ...  x n  n n(n  1) f. lim , HD: Lưu ý công thức 1  2  3  ...  n  x 1 x 1 2 x  a  xa n 1 x 1 g. lim , h. lim . xa x a 2 2 x 0 x 3. Tìm các giới hạn: sin 5 x 1  cos x sin x. sin 3x. sin 5 x tan 5 x a. lim , b. lim 2 , c. lim 3 , d. lim x  0 sin 3 x x0 x x 0 45 x x 0 3x sin x. sin 2 x. sin 3x.... sin nx e. lim . x0 n! x n 4. Tìm các giới hạn: x2  1 2 1 1 3 a. lim (1  x) x , b. lim (1  ) x , c. lim (2  ) x , d. lim ( 2 ) x x 0 x  x x  x x  x  1 15 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
1 e. lim (1  sin x) , x f. lim x cos x x 0 x 0 16 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
BÀI 4 HÀM SỐ LIÊN TỤC Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Trình bày được các khái niệm về hàm số liên tục và tính chất của hàm số liên tục 1. Khái niệm: 1.1 Định nghĩa:Cho hàm số y  f (x) xác định trên miền D , x0  D . y  f (x) được gọi là liên tục tại x  x0 nếu lim f ( x)  f ( x0 ) x  x0 Nếu y  f (x) không liên tục tại x  x0 ta nói y  f (x) gián đoạn tại x  x0  s inx  ,x  0 Ví dụ: Xét hàm số y   x  1, x  0 s inx Ta có lim  1  f (0) .Vậy f ( x) liên tục tại x  0 x 0 x 1.2 Định nghĩa: Cho hàm số y  f (x) xác định trên miền D , x0  D . Khi đó y  f (x) được gọi là liên tục trái (phải) tại x  x0 nếu: lim f ( x)  f ( x0 )( lim f ( x)  f ( x0 )) x  xx0 x  xx0 y  f (x) được gọi là liên tục trong (a; b) nếu y  f (x) liên tục tại mọi điểm của (a; b) 2. Các tính chất và định lý: 2.2 Định lý: Hàm số y  f (x) liên tục tại x  x0 khi và chỉ khi y  f (x) liên tục trái và liên tục phải tại x  x0  s inx  ,x  0 Ví dụ: Xét hàm số y   x  1, x  0  s inx s inx a / f (0 )  lim  lim  1  f (0) x 0 x x 0 x Ta có .Vậy f ( x) liên tục phải tại x  0 ,  s inx s inx b / f (0 )  lim   lim  1  f (0) x 0 x x 0 x nhưng không liên tục trái tại x  0 . 2.3 Định nghĩa: Cho hàm số y  f (x) xác định trên D . Khi đó tập hợp các điểm M ( x,( f ( x)) trong mặt phẳng tọa độ Oxy , khi x thay đổi trong D được gọi là đồ thị của hàm số y  f (x) trên D 2.4 Định lý: Đồ thị của hàm số liên tục là một đường liền nét. 2.5 Định lý: Nếu y  f (x) liên tục trên đoạn  a; b thì y  f (x) bị chặn trên  a; b , tức là M  0 : f ( x)  M , x  D 2.6 Định lý: Nếu y  f (x) liên tục trên đoạn  a; b thì y  f (x) đạt giá trị lớn nhất và giá  f ( x1 )  f ( x), x  D trị nhỏ nhất trên  a; b , tức là x1 , x2 :   f ( x2 )  f ( x), x  D 2.7 Định lý: Nếu y  f (x) liên tục trên đoạn  a; b thì y  f (x) nhận mọi giá trị trung gian giữa f (a) và f (b) 17 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
2.8 Định lý: Nếu y  f (x) liên tục trên đoạn  a; b và f (a). f (b)  0 thì có c  (a; b) để f (c)  0 , nói cách khác phương trình f ( x)  0 có ít nhất một nghiệm trong  a; b  Ví dụ: Chứng minh rằng phương trình x9  3x4  1  0 có ít nhất một nghiệm trong (0;1) . 3. Điểm gián đoạn, phân loại điểm gián đoạn: x0 là điểm gián đoạn của y  f (x) khi a/ y  f (x) không xác định tại x0 b/ Không tồn tại giới hạn của y  f (x) khi x  x0 c/ Tồn tại giới hạn của y  f (x) khi x  x0 , nhưng giới hạn này khác f ( x0 ) Như vậy ta có thể phân loại các điểm gián đoạn như sau: d/ x0 là điểm gián đoạn loại 1 khi f ( x0 ), f ( x0 ) . Đặc biệt khi f ( x0 )  f ( x0 ) thì ta nói x0 là điểm gián đoạn có thể bỏ được. e/ Các trường hợp khác gọi là điểm gián đoạn loại 2. 18 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
CHƢƠNG II ĐẠO HÀM VÀ VI PHÂN CỦA HÀM MỘT BIẾN SỐ BÀI 1 ĐẠO HÀM CỦA HÀM SỐ MỘT BIẾN SỐ Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Trình bày được các khái niệm về đạo hàm và tính chất của đạo hàm hàm số, tính được đạo hàm của hàm số hợp, hàm số ngược. 1. Khái niệm 1.1. Bài toán mở đầu: Xét đường cong (C ) : y  f ( x) , một điểm M 0 ( x0 , y0 ) cố định trên (C ) và một cát tuyến MM 0 . Nếu M ( x, y) chạy trên đường cong (C ) đến điểm M 0 ( x0 , y0 ) mà cát tuyến MM 0 dần tới một vị trí tới hạn TM 0 , thì đường thẳng TM 0 gọi là tiếp tuyến của đường cong (C ) tại điểm M 0 ( x0 , y0 ) . Vậy khi nào thì (C ) : y  f ( x) có tiếp tuyến tại M 0 ( x0 , y0 ) và hệ số góc của tiếp tuyến đó được tính như thế nào?  x  x  x0 Đặt  thì hệ số góc của cát tuyến y  y  y0  f ( x)  f ( x0 )  f ( x0  x)  f ( x0 ) y f ( x0  x)  f ( x0 ) MM 0 là tan    . x x Cho điểm M 0 ( x0 , y0 ) tiến dần đến M dọc theo đường cong (C ) , khi đó x  0 , y nếu tỉ số dần tới một giới hạn xác định thì  cũng dần đến một góc xác định là  , x nghĩa là cát tuyến MM 0 dần tới vị trí tới hạn TM 0 và tạo với Ox một góc  . y Từ đó, nếu tỉ số dần tới một giới hạn xác định khi x  0 thì đường cong x (C ) : y  f ( x) có tiếp tuyến tại điểm M 0 ( x0 , y0 ) và hệ số góc của tiếp tuyến là: y f ( x0  x)  f ( x0 ) tan  lim tan   lim  lim x  0 x  0 x x  0 x 1.2. Định nghĩa: Cho hàm số y  f (x) xác định trên miền D , x0  D . Cho biến x số gia x thỏa x0  x  D . Xét số gia hàm số: f  f ( x0  x)  f ( x0 ) . Ta gọi giới hạn f lim  I (nếu tồn tại hữu hạn) là đạo hàm của y  f (x) tại x0 và ta cũng nói y  f (x) có x  0 x đạo hàm tại x0 y f ( x0  x)  f ( x0 ) Ký hiệu: f / ( x0 )  lim  lim I x  0 x x  0 x f ( x)  f ( x0 ) Nhận xét: nếu đặt x  x0  x thì f / ( x0 )  lim I. x  x0 x  x0 Ví dụ: Tính đạo hàm của các hàm số sau bằng định nghĩa: a/ y  x 2 , b/ y  x3 , c/ y  sin x , d/ y  x 1.3. Đạo hàm một phía: Cho hàm số y  f (x) xác định trên miền D , x0  D . 19 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp
f f Ta gọi giới hạn lim  I ( lim   I )( nếu tồn tại hữu hạn) là đạo hàm phải x  0 x x  0 x (trái) của y  f (x) tại x0 . Ký hiệu: + Đạo hàm phải I  f / ( x0 ) + Đạo hàm trái I  f / ( x0 ) f ( x ), f  ( x0 ) / / 1.4 Định lý: f / ( x0 )   / 0  f  ( x0 )  f  ( x0 ) / 2. Các quy tắc tính đạo hàm: a / (C ) /  0 b / (U  V ) /  U /  V / c / (CU ) /  C (U ) / d / (U .V ) /  U / .V  U .V / U / U / .V  U .V / e/( )  (V  0) V V2 3. Đạo hàm hàm hợp, hàm ngƣợc: 3.1. Đạo hàm hàm hợp: Giả sử hàm số u  u(x) có đạo hàm u / ( x0 ) tại x0 và u0  u( x0 ) . Tại u0  u( x0 ) hàm y  y(u) có đạo hàm y / (u0 ) đối với biến u . Khi đó tại x0 hàm số y  y(u( x)) có đạo hàm yx ( x0 ) theo biến x và yx ( x0 )  yu/ (u0 ).ux/ ( x0 ) hay yx  yu/ .ux/ . / / / Ví dụ: a/ (( x3  4)5 ) /  5.( x3  4)4 .3x 2 1 b/ (sin 4 (ln x))  4sin 3 (ln x). x 3.2. Đạo hàm hàm ngƣợc: Giả sử các điều kiện sau được thỏa: a/ Hàm số y  f (x) có đạo hàm y / ( x0 )  0 tại x0 b/ Hàm số y  f (x) là đơn ánh . c/ Hàm ngược x  g ( y) liên tục tại y0  f ( x0 ) Khi đó hàm số ngược của hàm số y  f (x) sẽ có đạo hàm x y/ ( y0 ) tại y0 và 1 x y/ ( y0 )  / y ( x0 ) x 1 Ta thường ký hiệu hàm ngược là g ( y) là f 1 ( x) và khi đó ( f 1 ) /  f/ Ví dụ: Tính đạo hàm của hàm số: y  arctan x , ta có y  arctan x là hàm số ngược của 1 1 1 1 hàm số x  tan y , nên y x/  /    . xy 1 1  tan y 1  x 2 2 cos 2 y 4. Các công thức đạo hàm cơ bản: 20 Tài liệu giảng dạy môn: Toán cao cấp