Ứng dụng của định giá trị trung bình trong một số bài toán về giới hạn của dãy số

Chia sẻ: ViJichoo _ViJichoo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các định lý cơ bản về tạo hàm đóng vai trò quan trọng trong Toán học, cũng như nhiều lĩnh vực khoa học khác. Bài viết trình bày một số phương pháp xây dựng các bài toán về giới hạn của hàm số từ định lý giá trị trung bình bằng kỹ thuật tạo dựng các hàm phụ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng của định giá trị trung bình trong một số bài toán về giới hạn của dãy số

TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 31 ỨNG DỤNG CỦA ĐỊNH GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH TRONG MỘT SỐ B-I TOÁN VỀ GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ Nguyễn Văn Hào1, Nguyễn Thị Thanh Hà2, Vũ Thị Ngọc Diệu1 1 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 2 Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Tóm tắt tắt: ắt Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số phương pháp xây dựng các bài toán về giới hạn của hàm số từ ñịnh lý giá trị trung bình bằng kỹ thuật tạo dựng các hàm phụ. Từ khóa: khóa Định lý giá trị trung bình, giới hạn của dãy số, hàm số liên tục, hàm số khả vi. Nhận bài ngày 10.7.2017; gửi phản biện, chỉnh sửa và duyệt ñăng ngày 10.9.2017 Liê n hệ tá c giả : Nguye n Vă n Hà o; Email: nguyenvanhaodhsphn2@gmail.com 1. MỞ ĐẦU Các ñịnh lý cơ bản về ñạo hàm ñóng vai trò quan trọng trong Toán học, cũng như nhiều lĩnh vực khoa học khác. Điều ñó, người ta có thể kể ñến một số vấn ñề như: bài toán tồn tại nghiệm của các phương trình ñại số, ước lượng khoảng chứa nghiệm của các phương trình và toán tử trong việc giải gần ñúng của lý thuyết số, bài toán tìm cực trị của hàm số… Khởi nguồn của các ñịnh lý giá trị trung bình là Định lý Rolle ñược phát biểu như sau: Định lý 1 (Định lý Rolle): Giả sử hàm y = f (x ) liên tục trên ñoạn [a , b ] , khả vi trên khoảng (a , b ) và thỏa mãn ñiều kiện f (a ) = f (b ) . Khi ñó, tồn tại ít nhất một số c ∈ (a , b ) sao cho f ′(c) = 0 . Theo một khía cạnh, nhìn lại cách chứng minh của ñịnh lý Lagrange và ñịnh lý Cauchy, chúng ta thấy hai ñịnh lý ñó là hệ quả của ñịnh lý Rolle nhờ việc thiết lập hai hàm phụ cũng thỏa mãn các giả thiết của ñịnh Rolle tương ứng là: f (b) − f (a ) ϕ(x ) = f (x ) − f (a ) − (x − a ) b −a f (b) − f (a ) Và: ϕ(x ) = f (x ) − f (a ) − g(b) − g(a ) (g(x ) − g(a)) .
32 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI Từ việc thiết lập các hàm phụ ñó, ta nhận ñược hai ñịnh lý quan trọng sau: Định lý 2 (Định lý Lagrange): Giả sử hàm số f (x ) hàm liên tục trên ñoạn [a , b ] và khả vi trên khoảng (a , b ) . Khi ñó tồn tại số c ∈ (a , b ) sao cho: f (b) − f (a ) f ′(c) = b −a Hay: f (b) − f (a ) = f ′(c)(b − a ) Định lý 3 (Định lý Cauchy): Giả sử các hàm số f (x ) và g (x ) liên tục trên ñoạn, khả vi trên khoảng (a , b ) và ngoài ra g ′(x ) khác 0 với mọi giá trị của x thuộc khoảng (a , b ). Khi ñó, tồn tại ñiểm c ∈ (a , b ) sao cho: f (b) − f (a ) f ′(x ) = . b −a g ′(x ) Các kết quả này chúng tôi không trình bày cách chứng minh ở ñây, chi tiết có thể thao khảo trong tài liệu [1]. Một cách tổng quan, ta có thể nói rằng hai ñịnh lý Lagrange và ñịnh lý Cauchynhận ñược từ việc kết hợp từ hàm f (x ) (mà ở ñây chúng ta gọi nó là “hàm gốc”) liên tục trên ñoạn [a , b ] và khả vi trên khoảng (a , b ) với những ñiều kiện phụ nào ñó ñể ñược những kết quả mới. Theo ý tưởng ñó, chúng tôi sử dụng một số giới hạn cơ bản một số hàm sơ cấp kết hợp với hàm gốc f (x ) ñể có ñược các bài toán mới về giới hạn của hàm số 2. MỘT SỐ CÁCH XÂY DỰNG BÀI TOÁN GIỚI HẠN CỦA DÃY SỐ TỪ CÁC ĐỊNH LÝ CƠ BẢN CỦA ĐẠO HÀM 2.1. Các giới hạn cơ bản của hàm số một biến số Để thuận lợi cho việc trình bày kết quả, chúng ta nhắc lại một số giới hạn cơ bản sau: e α(n ) − 1 ln (1 + α(n )) 1. lim = 1. 2. lim =1 α(n )→ 0 α(n ) α(n )→ 0 α(n ) α(n )  a  sin α(n )  3. lim 1 +  = ea . 4. lim =1 α(n )→∞   α(n ) α(n )→ 0 α(n ) tan α(n ) 5. lim = 1. α(n )→ 0 α(n )
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 33 2.2. Xây dựng một số bài toán qua việc kết hợp hàm gốc với các giới hạn cơ bản Trong phần này, chúng ta xây dựng một số bài toán về giới hạn của dãy số bằng cách thiết lập những dãy hàm số thoả mãn các giả thiết của ñịnh lý Rolle. Bài toán 1. Cho hàm số f (x ) khả vi trên ñoạn [a , b ] . Giả sử rằng f (a ) = f (b ) = 0 ∞ và f (x ) ≠ 0 với mọi x ∈ (a , b ) . Chứng minh rằng tồn tại dãy x n { }n =1 trong khoảng (a , b ) sao cho: f ′(x n ) lim = 2017 . n →∞ (n e − 1)f (x n ) Để chứng minh bài toán này, chúng ta xét hàm số: 2017 x − H n (x ) = e n f (x ); x ∈ (a, b) . Đạo hàm của H n (x ) là: 2017 x 2017 x 2017 − − H n ′ (x ) = − e n f (x ) + e n f ′(x ) n 2017 x    f ′(x ) − 2017 f (x ) . − =e n   n  Từ giả thiết f (x ) khả vi trên ñoạn [a , b ] và f (a ) = f (b ) = 0 , chúng ta suy ra H n (x ) thỏa mãn các ñiều kiện của ñịnh lý Rolle. Do ñó, tồn tại dãy {x n } ⊂ (a, b ) sao cho H n ′ (x n ) = 0 . Từ ñó, ta có: f ′(x n ) 2017 = . f (x n ) n Sử dụng giới hạn cơ bản 1 trong mục 2.1, chúng ta thu ñược: f ′(x n ) 2017 2017 lim = lim = lim = 2017 . n →∞ (n e − 1)f (x n ) n →∞ (n e − 1)n n →∞ n e −1 1 n
34 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI 2017 x − Giữ nguyên hàm H n (x ) = e n f (x ) và sử dụng các giới hạn cơ bản khác, chúng ta nhận ñược các bài toán sau: Bài toán 2. Cho hàm f (x ) khả vi trên [a , b ] và thỏa mãn ñiều kiện f (a ) = f (b ) = 0 . Chứng minh rằng, nếu f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng (a , b ) thì tồn tại một dãy {x n } trong khoảng (a , b ) sao cho: n  f ′(x n )  lim 1 +  = e 2017 . n →∞  f (x n )  Bài toán 3. Cho hàm f (x ) khả vi trên [a , b ] và f (a ) = f (b ) = 0 . Chứng minh rằng nếu f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng (a , b ) thì tồn tại một dãy x n { } trong khoảng (a , b ) sao cho:   f ′(x n ) lim n ln 1 +  = 2017 . n →∞   f ( x )   n  Bài toán 4. Cho hàm f (x ) khả vi trên [a , b ] và f (a ) = f (b ) = 0 . Chứng minh rằng nếu f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng (a , b ) thì tồn tại một dãy x n { } trong khoảng (a , b ) sao cho:  f ′(x n )   lim n sin = 2017 . n →∞  f (x n )   Bài toán 5. Cho hàm f (x ) khả vi trên [a , b ] và f (a ) = f (b ) = 0 . Chứng minh rằng nếu f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng (a , b ) thì tồn tại một dãy x n { } trong khoảng (a , b ) sao cho:  f ′(x n )  lim n tan  = 2017 . n →∞  f ( x ) n  2.3. Một số hàm khác Ngoài hàm H n (x ) ñược xét trong bài toán mở ñầu, ta có thể lập các hàm khác. Tương ứng với mỗi hàm cùng giới hạn cơ bản, ta ñược các bài toán mới như sau:
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 35 2.3.1. Xét hàm xα − Dn1 (x ) =e n f (x ). Hàm này có ñạo hàm là: xα xα ′ αx α −1 − n − ( ) Dn1 (x ) = − n e f (x ) + e n f ′(x ) xα   − αx α −1 =e n  f ′(x ) − f (x ) .  n  Khi hàm Dn1 (x ) thoả mãn các ñiều kiện của ñịnh lý Rolle nhận ñược từ giả thiết của ( hàm gốc cho ta khẳng ñịnh Dn1 (x n ) )′ = 0 . Điều ñó, tương ñương với: f ′(x n ) α = . x n α −1 f (x n ) n Từ ñó, chúng ta có bài toán: Bài toán 7. Cho hàm f (x ) khả vi trên ñoạn [a , b ] và giá trị của hàm tại hai ñầu mút ñều bằng 0. Chứng minh rằng nếu f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng (a , b ) thì { } trong khoảng (a , b ) thỏa mãn: tồn tại một dãy x n f ′(x n ) 1. lim = α; n →∞ (n e α −1 − 1)x n f (x n ) n  f ′(x n )   α 2. lim 1 +  = e ; n →∞   α−1 x n f (x n )   f ′(xn )    3. lim n ln 1 +  = α ; n →∞   x n α−1 f (x n )  
36 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI  f ′(x n )   4. lim n sin  = α ; n →∞  x n α −1 f (x n )  f ′(x n )   5. lim n tan  = α . n →∞   x n α −1 f (x n ) 2.3.2. Xét hàm x Dn2 (x ) = f (x ).cos . n Đạo hàm của hàm này là: (H 2 n (x ) )′ = f ′(x )cos nx − n1 f (x ) sin nx . ( Điều kiện Dn2 (x n ) )′ = 0 cho ta: f ′(x n ) 1 x = tan n . f (x n ) n n Từ ñó, ta nhận ñược bài toán:  π   Bài toán 8. Cho hàm f (x ) khả vi trên  0;  và f (0) = f  π  = 0 . Khi ñó, nếu  4  4     π f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng 0;  thì tồn tại một dãy {x n } trong khoảng  4  ñó sao cho: n 2 f ′(xn ) lim = 1. n →∞ xn f (xn ) Tương tự như vậy, ñối với hàm: x  π H n3 (x ) = f (x )cot ; với x ∈  0;  , n  4   chúng ta nhận ñược:
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 37  π π Bài toán 9. Cho hàm f (x ) khả vi trên  0;  và f (0) =f   = 0 . Khi ñó nếu  4  4     π f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên khoảng ñó thì tồn tại dãy {x n } ⊂ 0;  sao cho:  4  x n f ′(x n ) lim = 1. n →∞ f (x n ) Kết thúc phần này chúng ta trình bày lời giải ñầy ñủ của bài toán sau: Bài toán 10. Cho hàmsố f (x ) khả vi trên [a , b ] và f (a ) = f (b ) = 0 . Giả sử f (x ) không ñồng nhất bằng 0 trên (a , b ) . Chứng minh rằng tồn tại dãy x n { } ⊂ (a,b) sao cho: x n f ′(x n ) lim = −2017 . n →∞ f (x n ) Trong bài toán này, chúng ta xét hàm phụ:  x 2017  Dn4 (x )  = f (x )ln 1 + .  n  Ta có: x 2016  2017. ′ x 2017  (Dn4 (x ) = f ′(x )ln 1 + )  + f (x ) n . 2017  n  x 1+ n Từ các ñiều kiện của hàm f (x ) chúng ta thấy rằng hàm Dn4 (x ) thỏa mãn ñiều kiện ∞ của ñịnh lý Rolle trên ñoạn [a , b ] . Từ ñó, suy ra tồn tại dãy x n { }n =1 ⊂ (a,b) sao cho: (D (x ))′ = 0 , tức là: 4 n n 2017 2016 f ′(x n ) xn =− n . f (x n )  x 2017     x 2017    n 1 +  ln 1 + n   n   n 
38 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI Do ñó:    2017 2017   x  x n f ′(x n )  n n  lim = lim −  n →∞ f (x ) n →∞   2017   2017   n  1 + x n   x      ln 1 + n    n   n        x 2017   n   2017 n  = lim − ⋅  = −2017 . n →∞   2017   2017    1 + x n   x      ln 1 + n    n   n     3. KẾT LUẬN Bằng việc sử dụng những tính chất ñặc trưng của hàm sơ cấp và kỹ thuật tạo dựng hàm phụ, chúng ta cũng thấy ñược một phương pháp vận dụng kết hợp giữa giới hạn cơ bản với ñịnh lý giá trị trung bình ñể có ñược một lớp các bài toán giới hạn về dãy số khá ñặc sắc. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Đức Long, Nguyễn Đình Sang, Hoàng Quốc Toàn (2008), Giáo trình giải tích tập 2, - Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội. 2. P. Ahern, M. Flores and W. Rudin (1993), “An invariant volume-mean value property”, J. Funct. Anal. 111, pp.380-397. 3. W. A. Granville (2008), Elements of the Differential and Integral Calculus (revised edition). 4. W. J. Kaczor, M. T. Nowak (2001), Problems in Mathematical Analysis II:Continuity and Differentiation, Student mathematical library, Volume 12, pp.45-52. 5. K. Ramachandra (1995), Lectures on the Mean-Value and Omega-Theorems for the Riemann Zeta-Function, Springer-Verlag Berlin Heidelberg - New York-Tokyo. APPLICATION OF MEAN VALUE THEOREM IN PROBLEMS OF SEQUENCE LIMIT Abstract: Abstract In this paper, we presented some methods of construction of sequence limit problems by mean - value theorems with technics of creation aid functions. Keywords: Keywords volume-mean value theorem, sequence limit, continiuos function, differential function.