Tích phân suy rộng (Improper Integrals)

Shortlink: http://wp.me/P8gtr-T

1. Tích phân suy rộng loại 1 (infinite limits of integration): New Update

1.1 Định nghĩa:

Giả sử f(x) xác định trên [a;+∞) và khả tích trên mọi đoạn hữu hạn a ≤ x ≤ b < +∞

Nếu tồn tại giới hạn (hữu hạn hoặc vô cùng):

\mathop {\lim }\limits_{b \to  + \infty } \int\limits_a^b {f(x)dx: = } \int\limits_a^{ + \infty } {f(x)dx}

Thì giới hạn này gọi là tích phân suy rộng của f(x) trên [a;+∞).

Nếu giới hạn này là hữu hạn ta nói tích phân suy rộng \int\limits_a^{ + \infty } {f(x)dx} là hội tụ (integral is convergent)

Nếu giới hạn này là vô cùng hoặc không tồn tại ta nói tích phân suy rộng \int\limits_a^{ + \infty } {f(x)dx} là phân kỳ (integral is divergent).

Ví dụ: \int\limits_1^{ + \infty } {\dfrac{{dx}}{{1 + {x^2}}}} là hội tụ; \int\limits_1^{ + \infty } {\dfrac{{dx}}{x}} là phân kỳ.

Thật vậy ta có:

1. \int\limits_1^{+\infty}{\dfrac{dx}{1+x^2}}=\lim\limits_{b \to +\infty} \int\limits_1^b{\dfrac{dx}{1+x^2}}=\lim\limits_{b \to \infty}\left(\left.{arctanx}\right|_{x=1}^b\right)=\lim\limits_{b \to +\infty} \left(arctanb - \frac{\pi}{4}\right)=\frac{\pi}{4}

2. \int\limits_1^{+\infty}{\dfrac{dx}{x}}=\lim\limits_{b \to +\infty} \int\limits_{1}^{b}{\dfrac{dx}{x}}=\lim\limits_{b \to +\infty} \left. {lnx}\right|_{x=1}^b = \lim\limits_{b \to +\infty} lnb = +\infty .

Ví dụ 2: Tính tích phân suy rộng: I = \int\limits_0^{\infty} t.e^{-2t} dt

Ta có: I = \lim\limits_{b \to +\infty} \int\limits_0^{b} t.e^{-2t} dt (*)

- Trước tiên,  Tính tích phân: \int\limits_0^b t.e^{-2t} dt

Sử dụng công tức tính phân từng phần ta có:

\int\limits_0^b t.e^{-2t} dt = \left( -\dfrac{1}{2}t.e^{-2t} -\dfrac{1}{4}e^{-2t} \right)_{t=0}^b = \left(-\dfrac{1}{2}b.e^{-2b} -\dfrac{1}{4}e^{-2b} + \dfrac{1}{4}\right)

Thế vào (*) ta có:

I = -\dfrac{1}{4}\lim\limits_{b \to \infty} \left((2b-1)e^{-2b} -1 \right) = \dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{4}\lim\limits_{b \to \infty} \left( \dfrac{2b-1}{e^{2b}}\right) = \dfrac{1}{4}

(do \lim\limits_{b \to \infty} \dfrac{2b-1}{e^{2b}} \underset{=}{L'H} \lim\limits_{b \to \infty} \dfrac{2}{2e^{2b}} = 0 )

Vậy: I hội tụ và I = \dfrac{1}{4}

1.2 Định nghĩa:

\int\limits_{ - \infty }^c {f(x)dx} : = \mathop {\lim }\limits_{d \to  - \infty } \int\limits_d^c {f(x)dx}

1.3 Tích phân quan trọng:

Bài toán xét sự hội tụ của tích phân: \mathop\int\limits_a^{ + \infty } {\dfrac{{dx}}{{{x^s }}}} {\rm{ a > 0 ; }}{\rm{ s > 0}}

Nếu s \rm{ > 1} thì tích phân hội tụ.

Nếu s \le 1 thì tích phân phân kỳ.

Chứng minh:

Ta có: \mathop\int\limits_a^{+\infty}{\dfrac{dx}{x^s}} = \lim\limits_{c \to +\infty}\int\limits_a^c{\dfrac{dx}{x^s}} = \lim\limits_{c \to +\infty}{\dfrac{1}{1 - s}} \left[ {\dfrac{1}{{{x^{s - 1}}}}} \right]_{x=a}^c

Với s > 1. Khi đó:

\lim\limits_{c \to +\infty}{\dfrac{1}{1-s}} \left(\dfrac{1}{c^{s-1}} - \dfrac{1}{a^{s-1}}\right) = \dfrac{1}{1-s}\left({0- \dfrac{1}{a^{s-1}}}\right) = \dfrac{1}{s-1}.{\dfrac{1}{a^{s-1}}}

Vậy chuỗi hội tụ.

Với s =1: theo ví dụ trên ta có chuỗi phân kỳ.

Với s < 1:

\lim\limits_{c \to +\infty}{\dfrac{1}{1-s}}\left({\dfrac{1}{c^{s-1}}}-{\dfrac{1}{a^{s-1}}}\right)= \lim\limits_{c \to +\infty}\left[{\dfrac{1}{1-s}}\left({c^{1-s}- \dfrac{1}{a^{s-1}}}\right)\right]= + \infty (1-s > 0).

Vậy chuỗi phân kỳ.

1.4 Tiêu chuẩn hội tụ, trường hợp f(x) ≥ 0

1.4.1 Định lý so sánh 1:

Giả sử f(x) và g(x) không âm và khả tích trên [a,b], và f(x) ≤ g(x) ở lân cận +∞ ( tức là x đủ lớn). Khi đó:

  1. Nếu \int\limits_a^{ + \infty } {g(x)dx} hội tụ thì tích phân \int\limits_a^{ + \infty } {f(x)dx} hội tụ
  2. Nếu \int\limits_a^{ + \infty } {f(x)dx} phân kỳ thì tích phân \int\limits_a^{ + \infty } {g(x)dx} phân kỳ.

1.4.2 Định lý so sánh 2:

Giả sử f(x) và g(x) không âm và cùng khả tích trên [a,b], và f(x) ≤ g(x) ở lân cận +∞ ( tức là x đủ lớn).

Nếu \mathop {\lim }\limits_{x \to  + \infty } \dfrac{{f(x)}}{{g(x)}} = k (0 \rm{< k} \rm{< +\infty} ) thì hai tích phân cùng hội tụ hoặc cùng phân kỳ.

Nhận xét:

- Để xét sự hội tụ của tích phân \int\limits_a^{+\infty} f(x) dx , ta cần xây dựng hàm g(x) sao cho \lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f(x)}{g(x)} = 1 . Nghĩa là, f(x) và g(x) là hai lượng tương đương.

Muốn vậy, ta cần nhận diện và thay thế các VCB, VCL (khi x → +∞ ) có trong f(x) bằng các VCB, VCL tương đương. Tuy nhiên, cần chú ý cả hai hàm f(x) và g(x) phải cùng khả tích trên [a; + ∞).

1.5 Các ví dụ: Xét sự hội tụ của các tích phân:

Ví dụ 1

\int\limits_2^{+\infty}{\dfrac{dx}{lnx}} .

Rõ ràng: hàm f(x) = \dfrac{1}{lnx} là hàm số dương, xác định và liên tục với mọi x thuộc [2,+{\infty}) .

Khi x \to +{\infty} : lnx là VCL nhưng không tìm được VCL tương đương tương ứng. Vì vậy, ta không dùng dấu hiệu so sánh 2.

Ta có thể dùng dấu hiệu so sánh 1. Muốn vậy, cần chặn hàm lnx. Ta dễ dàng có bất đẳng thức sau:

\rm{lnx < } x , \forall x \ge 1

Vậy:

\int\limits_2^{+{\infty}}\dfrac{dx}{lnx} \ge \int\limits_2^{\infty} \dfrac{dx}{x}

Vậy tích phân đã cho phân kỳ.( do tích phân \int\limits_2^{\infty} \dfrac{dx}{x} phân kỳ).

Ví dụ 3

\int\limits_{1}^{+{\infty}}{\dfrac{1}{{\sqrt{1+x}}{\sqrt[3]{1+x^2}}}}dx . $latex $

Xem xét hàm lấy tích phân, ta thấy:

Khi x \to {\infty}

{\sqrt{1+x}} \sim x^{\frac{1}{2}} , {\sqrt[3]{1+x^2}} \sim x^{\frac{2}{3}}

Vậy:

f(x) = \dfrac{1}{{\sqrt{1+x}}{\sqrt[3]{1+x^2}}} \sim \dfrac{1}{x^{\frac{7}{6}}} = g(x)

Mà f(x) và g(x) cùng khả tích trên [1;+∞) nên \int\limits_1^{+\infty} f(x) dx \int\limits_1^{+\infty} g(x) dx cùng hội tụ hoặc cùng phân kỳ.

Mặt khác: \int\limits_1^{+\infty} \dfrac{1}{x^{\frac{7}{6}}} dx hội tụ. (do s = 7/6 > 1)

Vậy tích phân I3 hội tụ.

Ví dụ 4.

I_4=\int\limits_0^{+\infty}{\dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2}} dx . $latex $

Khi x \to +\infty ta có:

f(x) = \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} \sim \dfrac{x^{\frac{1}{3}}}{x^2} = \dfrac{1}{x^{\frac{5}{3}}} = g(x)

Tuy nhiên, f(x) xác định và liên tục với mọi x \ge 0 , còn g(x) không xác định tại x = 0 nên ta chưa thể dùng dấu hiệu so sánh 2 được.

Khi đó, tách I4 thành 2 tích phân ta có:

I_4 = \int\limits_0^{1} \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} dx + \int\limits_1^{\infty} \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} dx

- Do \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} xác định và liên tục trên [0;1] nên \int\limits_0^1 \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} dx là tích phân xác định nên hội tụ.

- \int\limits_1^{+\infty} \dfrac{\sqrt[3]{x}}{1+x^2} dx \sim \int\limits_1^{+\infty} \dfrac{dx}{x^{5/3}} nên hội tụ.

Vậy tích phân I4 hội tụ.

Trang: 1 2 3

  1. siêu nhân bánh rán
    06/01/2011 lúc 22:43

    đơn giản lắm bạn ạ.chỉ cần cố gắng so sánh với 2 tích phân quan trọng của loại 1 và loại 2 là đk.thầy có ghi ở trên. một số hàm như ln và e mũ thì sd tính chất tăng nhanh của hàm mũ:hàm e tăng nhanh nhất, đến hàm lũy thừa, đến hàm ln. Sử dụng tính chất đó để lập bdt.Hoặc sd dấu hiệu hội tụ của hàm ko âm:0<= f(x) <= g(x).Nếu lim g(x) khi x tiến đến vô cùng =0, thì đến một lúc nào đó x đủ lớn thì:0<= g'(x)<=1.nhân thêm vào để thành biểu thức chứa dạng cơ bản. CCòn nếu hàm bị chăn thì sd dấu hiệu aben là đk

  2. nguyen thanh vinh
    09/01/2011 lúc 09:47

    giải dùm em bài này cái thầy ơi : khảo sát tích phân từ 2 đến +vô cùng của dx/căn bậc 2 của x(x-1)(x-2) mong thầy giải dùm em em cám ơn thầy

  3. yen
    10/01/2011 lúc 12:25

    em chào thầy,thầy làm ơn cho em xin tên một số loại sách cần dùng cho môn giải tích 2 ở trường mình với ạ.Em cảm ơn thầy nhiều !!!!!!!!!!

  4. nguyen thi anh tuyet
    11/01/2011 lúc 16:08

    Giải giúp e bài này với thầy ơi!
    Xét sự hội tụ của tích phân (e^(-x^2))/x^2 khi x tiến từ 0 đến dương vô cực.
    E cảm ơn!!!!!!!!!!!

    • 13/01/2011 lúc 21:37

      Do hàm gián đoạn tại x = 0 nên tp này vừa là suy rộng loại 1, vừa suy rộng loại 2. Do đó, em tách thành 2 tích phân:
      \int\limits_0^1 \dfrac{dx}{x^2.e^{x^2}} + \int\limits_1^{\infty} \dfrac{dx}{x^2.e^{x^2}}
      Khi x \to 0: \dfrac{e^{-x^2}}{x^2} \sim \dfrac{1}{x^2} nên tp đầu phân kỳ
      Khi x \to \infty: \dfrac{1}{x^2e^{x^2}} \le \dfrac{1}{x^2.x^2} nên tp sau hội tụ.
      Tóm lại em chứng minh được tp phân kỳ.

  5. nhung
    30/03/2011 lúc 09:35

    Thầy ơi thầy cho em hỏi về ứng dụng của tích phân suy rộng trong kinh tế với ạ. EM đang phải làm đế tài này mà tìm mãi không ra. Mong thầy giúp em . Em vô cùng cảm ơn thầy!

    • 30/03/2011 lúc 10:17

      Một ví dụ kinh điển của tích phân suy rộng trong kinh tế chính là bài toán: Accumulated Present Value (giá trị tài sản tích lũy)
      The accumulated present value, A, of a continuous money flow into an investment of P dollars per year from now until T years in the future is given by: A = \int_0^T Pe^{-kt} dt
      where k is interest rate, compounded continuously. If the money flow is to continue perpetually (forever), then take the limit at t
      approaches infinity and A = \int_0^{\infty} Pe^{-kt} dt
      Ngoài ra, em có tể vào gigapedia.com và tìm cuốn Fundamental Methods of Mathematical Economics, 4th Edition nó có nhiều ví dụ ứng dụng của Toán kinh tế. Trong đó phần ứng dụng của tích phân suy rộng ở trang 461 – 471. Chúc em thành công.

  6. nhung
    30/03/2011 lúc 19:42

    em cảm ơn thầy nhiều ạ.^^

Comment pages
  1. No trackbacks yet.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

Theo dõi

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: