Định nghĩa
Đa thức gọi là đa thứ
Hàm số y = f(x) có đạo hàm đến cấp n trong lân cận x0.
Taylor của hàm f(x) trong lân cận của x0
Chú ý: Với một hàm có đạo hàm đến cấp n cho trước ta
uôn tính được đa thức Taylor.
Trong định lý sau ta thấy Pn(x) là xấp xĩ (tốt nhất) ch
hàm y = f(x) (khác nhau một đại lượng là VCB bậc n + 1)
87 trang |
Chia sẻ: nguyenlam99 | Lượt xem: 1008 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giải tích 1 - Chương 2: Đạo hàm và vi phân, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Trường Đại học Bách khoa tp. Hồ Chí Minh
Bộ môn Toán Ứng dụng
-------------------------------------------------------------------------------------
Giải tích 1
Chương 2: Đạo hàm và vi phân
• Giảng viên Ts. Đặng Văn Vinh (9/2008)
dangvvinh@hcmut.edu.vn
Nội dung
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1 – Đạo hàm
2 – Vi phân.
3 – Định lý giá trị trung bình
4 – Công thức Taylor, Maclaurint
Định nghĩa (đạo hàm)
Hàm số y = f(x) xác định trong lân cận của điểm . 0x
' 0 0
0
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
được gọi là đạo hàm của f tại điểm x0 .
'
0( )f x
I. Đạo hàm
Ví dụ
Tìm đạo hàm của hàm tại điểm x0 ( ) cosf x x
' 0 0
0
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
0 0
0
cos( ) cos
lim
x
x x x
x
0
0
sin sin
2 2
lim
2
x
x x
x
x
0sin( )x
'0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
Ví dụ
Tìm , biết
2 1sin , 0
( )
0, 0
x x
f x x
x
' (0)f
2
0
sin 1/ 0
lim
x
x x
x
0
1
lim sin
x
x
x
0 (bị chặn x vô cùng bé)
Định nghĩa (đạo hàm phải)
Hàm số y = f(x) xác định trong lân cận của điểm . 0x
' 0 0
0
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
được gọi là đạo hàm phải của f tại điểm x0 .
'
0( )f x
Định nghĩa (đạo hàm trái)
Hàm số y = f(x) xác định trong lân cận của điểm . 0x
' 0 0
0
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
được gọi là đạo hàm trái của f tại điểm x0 .
'
0( )f x
Định nghĩa (đạo hàm vô cùng)
Nếu , thì ta nói hàm 0 0
0
( ) ( )
lim
x
f x x f x
x
có đạo hàm vô cùng tại điểm x0 .
Định lý
Hàm số y = f(x) có đạo hàm tại điểm , khi và chỉ khi 0x
nó có đạo hàm trái và đạo hàm phải tại điểm x0 và
hai đạo hàm này bằng nhau.
'0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
Ví dụ
Tìm , biết
1/ , 0
( )
0, 0
xe x
f x
x
' '(0); (0)f f
1/
0
0
lim
x
x
e
x
'
0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
1/
0
0
lim
x
x
e
x
0
Đạo hàm trái và đạo hàm phải không bằng nhau, nên
đạo hàm tại x = 0 không tồn tại.
Ví dụ
Tìm , biết 2( ) 3 | | 2f x x x ' ( )f x
Tại điểm x = 0:
2
2
3 2, 0
( )
3 2, 0
x x x
f x
x x x
' 2 3, 0( )
2 3, 0
x x
f x
x x
' '(0) 3; (0) 3f f
Đạo hàm trái và đạo hàm phải không bằng nhau, suy
ra không tồn tại đạo hàm tại x = 0.
'0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
Ví dụ
Tìm , biết ( ) sin 2f x x' '(0); (0)f f
0
sin 2
lim
x
x
x
2
'
0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
0
sin 2
lim
x
x
x
2
Đạo hàm trái và đạo hàm phải không bằng nhau, nên
đạo hàm tại x = 0 không tồn tại.
Ví dụ
Tìm , biết
sin
, 0
( )
1, 0
x
x
f x x
x
' ( )f x
' 2
cos sin
, 0
( )
,? 0
x x x
x
f x x
x
'
0
(0 ) (0)
(0) lim
x
f x f
f
x
0
sin
1
lim
x
x
x
x
20
sin
lim
x
x x
x
0
0,
'0
1
arctan
2(0) lim
x
xf
x
Ví dụ
Tìm , biết
1
arctan , 0
( )
, 0
2
x
x
f x
x
' '(0); (0)f f
'
0
1
arctan
2(0) lim
x
xf
x
1
Đạo hàm hàm hợp
'
1. 0a
' 12. x x
'
3. x xe e
'
4. sin cosx x
'
5. cos sinx x
' 1
6. ln x
x
'
2
1
7. tan
cos
x
x
'
2
1
8. cot
sin
x
x
'
1 '2. u u u
' '3. u ue e u
' '4. sin cosu u u
' '5. cos sinu u u
'
'
6. ln
u
u
u
'
'
2
7. tan
cos
u
u
u
'
'
2
8. cot
sin
u
u
u
Đạo hàm các hàm lượng giác ngược và hyperbolic
'
2
1
1. arcsin
1
x
x
'
2
1
2. arccos
1
x
x
'
2
1
3. arctan
1
x
x
'
2
1
4. arccot
1
x
x
'
5. sinh coshx x
'
6. cosh sinhx x
'
2
1
7. tanh
cosh
x
x
'
2
1
8. coth
sinh
x
x
Công thức tính đạo hàm
' '1. u u
' ' '2. u v u v
' ' '3. u v u v u v
' ' ' '4. u v w u v w u v w u v w
' ' '
2
5.
u u v u v
v v
' ' '( ), ( ) ( ) ( ) ( )f f u u u x f x f u u x
Qui tắc tính đạo hàm của tổng, hiệu, tích, thương,
hàm hợp.
Đạo hàm của hàm hợp
Đạo hàm của hàm ngược.
'
0 '
0
1
( )
( )
g y
f x
Hàm y = f(x) là hàm 1-1 có hàm ngược x = g(y).
'
'
1
( )
( )
x y
y x
Nếu f(x) có đạo hàm hữu hạn khác không tại x0, thì hàm
g(y) sẽ có đạo hàm tại y0 = f(x0) và
Ví dụ
Tìm đạo hàm hàm ngược của hàm 3( )f x x x
f(x) là hàm 1-1 trên R, đạo hàm ' 2( ) 1 3 0,f x x x
' 2
1 1
( ) 1 3
dx
dy y x x
x = sinh(y) là hàm 1-1, đạo hàm ' ( ) 1/ cosh 0,x y y y
'
' 2 2
1 1 1
( )
( ) 1 sinh 1
dy
y x
dx x y y x
Ví dụ
Tìm , biết sinh
2
y ye e
x y
' ( )y x
Đạo hàm của hàm cho bởi phương trình tham số.
' '
'
' '
( ) ( )
( )
( ) ( )
dy y t dt y t
y x
dx x t dt x t
( )
( )
x x t
y y t
Hàm y = y(x) cho bởi pt tham số:
Giả sử hàm có hàm ngược ( )x x t ( )t t x
Khi đó là hàm y theo biến x. ( ) ( ( ))y y t y t x
'
'
'
( )
( )
( )
y t
y x
x t
Ví dụ
Tìm đạo hàm của hàm y = y(x) cho bởi pt tham số
3 3cos , sin , (0, / 2).x a t y b t t
'
'
'
( )
( )
( )
y t
y x
x t
' 2( ) 3 cos sin 0, (0, / 2)x t a t t t
' 2( ) 3 sin cosy t b t t
2
2
3 sin cos
tan
3 cos sin
b t t b
t
aa t t
Đạo hàm của hàm ẩn.
Để tìm đạo hàm của hàm ẩn, ta đạo hàm hai vế: coi x
là biến, y là hàm theo x.
Hàm y = y(x) với cho ẩn bởi phương trình ( , )x a b
nếu với . ( , ) 0F x y ( , ( )) 0F x y x ( , )x a b
Ví dụ
2 3 cosx ye x y
Tìm , biết y = y(x) là hàm ẩn xác định từ ' ( )y x
phương trình
2 ' 2 '2 ( ) 3 ( ) sinx ye y x x y x y
2 2
'
2
3 2
( )
sin
x y
x y
x e
y x
e y
Ví dụ
Tìm , biết 3( ) ln ; (2 1),
1 cos
xe
f x x n n Z
x
' ( )f x
1 1 1
ln ln(1 cos ) ln(1 cos )
3 3 3 3
x xy e x x
' 1 1 sin
3 3 1 cos
x
y
x
' 1 1 sin
3 3 1 cos
x
y
x
Ví dụ
Tìm , biết
2
3 4 7
1
( ) ,
sin
x
f x x n n Z
x x
; ' ( )f x
2 4ln ln(1 ) ln 7lnsin
3
f x x x
2
'
23 4 7
1 2 4 cos
7
3 sin1sin
x x x
y
x xxx x
Đạo hàm hai vế
'
2
2 4 cos
7
3 sin1
f x x
f x xx
Ví dụ
Tìm , biết
sin( ) (2 1) xf x x ' ( )f x
Đạo hàm hai vế
sinln ln(2 1) sin ln(2 1)xf x x x
' 2sin
cos ln(2 1)
2 1
f x
x x
f x
' 2sincos ln(2 1)
2 1
x
f f x x
x
sin 2sin(2 1) cos ln(2 1)
2 1
x xx x x
x
Có thể sử dụng:
sin ln(2 1)( ) x xf x e
Định nghĩa (đạo hàm cấp cao)
Đạo hàm của hàm y = f(x) là một hàm số.
''' '( ) ( )f x f x
Có thể lấy đạo hàm một lần nữa của đạo hàm cấp
một, ta được khái niệm đạo hàm cấp hai.
Tiếp tục quá trình ta có đạo hàm cấp n.
'( ) ( 1)( ) ( )n nf x f x
Công thức Leibnitz (tính đạo hàm cấp cao)
Dùng qui nạp ta chứng minh được
( ) ( ) ( )
0
nn k k n k
n
k
f g C f g
Giả sử y f g
( ) 0 (0) ( ) 1 (1) ( 1) ( ) (0)n n n n n
n n nf g C f g C f g C f g
Trong đó qui ước: (0) (0); .f f g g
Phương pháp tính đạo hàm cấp cao.
1) Sử dụng các đạo hàm cấp cao của một số hàm đã biết
2) Phân tích thành tổng các hàm “đơn giản”.
3) Phân tích thành tích của hai hàm: f.g, trong đó f là hàm
đa thức, chỉ có vài đạo hàm khác không, sau đó sử dụng
công thức Leibnitz
4) Sử dụng khai triển Maclaurint, Taylor (sẽ học)
Đạo hàm cấp cao của một số hàm thường gặp
( )
1) ( 1) ( 1)
n n
x a n x a
( )
1
1 1
( 1) !
( )
n
n
n
n
x a x a
( )
2)
nax n axe a e
( ) 1 ( 1)!3) ln ( 1)
n n
n
n
x
x
( )
4) sin( ) sin( )
2
n nax a ax n
( )
5) cos( ) cos( )
2
n nax a ax n
Chú ý:
( )
n
ax b
( )
ln( )
n
ax b
( )
sin( ) sin( )
2
n nax b a ax b n
( )
cos( ) cos( )
2
n nax b a ax b n
( 1) ( 1)
n
ax an b
1 ( 1)!( 1)
( )
n n
n
n
ax
a
b
100
(100) 99
100
2
ln(2 3) ( 1) 99!
(2 3)
x
x
Ví dụ.
1 1 1 1
( 2)( 2) 4 2 2
y
x x x x
Ví dụ
Tính , biết 2
1
4
y
x
( ) ( )ny x
( )
1
1 1
( 1) !
( )
n
n
n
n
x a x a
Sử dụng công thức
( )
1 1
( 1) ! 1 1
4 ( 2) ( 2)
n
n
n n
n
y
x x
1 1 1 1
( 2 )( 2 ) 4 2 2
y
x i x i i x i x i
Ví dụ
Tính , biết 2
1
4
y
x
(100) (0)y
( )
1
1 1
( 1) !
( )
n
n
n
n
x a x a
Sử dụng công thức
( )
1 1
( 1) ! 1 1
4 ( 2 ) ( 2 )
n
n
n n
n
y
i x i x i
100
(100)
101 101
( 1) 100! 1 1
4 ( 2 ) (2 )
y
i i i
100
100!
4 2
1 cos2 1 cos 2
2 2 2
x x
y
Ví dụ
Tính biết
2siny x( ) ( ),ny x
( ) 1( ) 2 cos(2 )
2 2
n ny x x n
( ) 1( ) 2 cos(2 )
2
n ny x x n
2( ) 3 1; ( ) lnf x x g x x y f g
(100) 0 (0) (100) 1 (1) (99) 2 (2) (98)
100 100 100( )fg C f g C f g C f g
Ví dụ
Tính , biết 2(3 1) lny x x (100) (1)y
Vì , nên
( )
0, 2
k
f k
(100) 0 (0) (100) 1 (1) (99) 2 (2) (98)
100 100 100( ) 0fg C f g C f g C f g
3 (3) (97) 100 (100) (0)
100 100C f g C f g
(100) 99
100
99!
ln ( 1)x
x
(100) 2 100 99 98
99! 98! 97!
( ) 1 3 1 100 6 4950 6y x x
x x x
Sử dụng , ta có
( ) 1 ( 1)!ln ( 1)
n n
n
n
x
x
(99) 98
99
98!
ln ( 1)x
x
(98) 97
98
97!
ln ( 1)x
x
(100)( ) (1) 4 99! 600 98! 29700 97!y
9708 97!
2 3; cos2f x g x
Ví dụ
Tính , biết (2 3) cos2y x x (100) ( )y x
(100) 0 (0) (100) 1 (1) (99)
100 100( ) 0fg C f g C f g
(100) 0 (0) (100) 1 (1) (99) 2 (2) (98)
100 100 100( )fg C f g C f g C f g
100 99100 99(2 3) 2 cos 2 200.2 cos 2
2 2
x x x
100 99(2 3) 2 cos2 200.2 sin 2x x x
'2
1
1
y
x
Ví dụ
Tính , biết arctany x(100) (101)(0); (0)y y
2 ( ) ( 1) ( 2)(1 ) 2( 1) ( 1)( 2) 0n n nx y n x y n n y
0 (0) ( 1) 1 (1) ( 2) 2 (2) ( 3)
1 1 1 0
n n n
n n nC f g C f g C f g
( ) ( 2)(0) ( 1)( 2) (0)n ny n n y
2 '(1 ) ( ) 1x y x 2 '(1 ); ( )f x g y x
Vì nên '' (0) 0y
(100) (0) 0.y
Vì nên
' (0) 1y (101) (0) 100!y
'2
1
1
y
x
Ví dụ
Tính , biết arctany x(100) (101)(0); (0)y y
1
( ) ( 1) ( 1)! 1 1
2 ( ) ( )
n
n
n n
n
y
i x i x i
99
(100)
100 100
( 1) .99! 1 1
(0) 0
2 ( ) ( )
y
i i i
1 1 1
2i x i x i
100
(101)
101 101
( 1) .100! 1 1 100! 1 1
(0) 100!
2 2( ) ( )
y
i i i ii i
Định nghĩa (khả vi)
Hàm số y = f(x) được gọi là khả vi tại điểm , nếu 0x
0 0( ) ( ) ( ) f x x f x A x x
II. Vi phân
Khi đó được gọi là vi phân của hàm f(x) tại x0, A x
0( )df x A x ký hiệu
Định lý
Hàm số y = f(x) khả vi tại khi và chỉ khi tồn tại 0x
'
0( ).f x
a) Nếu f khả vi tại x0. Khi đó: 0 0( ) ( ) ( ) f x x f x A x x
0 0( ) ( ) ( )f x x f x xA
x x
' 0 0
0
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
0
( )
lim
x
x
A A
x
b) Ngược lại nếu tồn tại ' 0 00
0
( ) ( )
( ) lim
x
f x x f x
f x
x
'0 0
0
( ) ( )
( ) 0
f x x f x
f x
x
Suy ra f(x) khả vi tại x0.
Vi phân của hàm f(x) tại x0:
'
0 0
( ) ( )d f x f x d x
Tính chất của vi phân
1) 0, d R
3) d f g df dg
4) d f g gdf fdg
2
5)
f gdf fdg
d
g g
Tất cả các tính
chất này đều
suy ra trực tiếp
từ tính chất của
đạo hàm.
2) , d f df R
0x
0x x
0( )f x
0f x x
0 0f x x f x
df(x0)
thì ( ) 0x 0 0 0( ) ( ) ( )f f x x f x df x
Vi phân của hàm hợp.
( )
( )
y y u
u u x
( ( ))y y u x
' ( )dy y x dx
Hai công thức này có dạng giống nhau, không phụ
thuộc biến độc lập x hay biến hàm u.
' '( ) ( )y u u x dx
' ( )y u du
' ( )dy y x dx ' ( )dy y u du
Vi phân cấp một có tính bất biến.
Vi phân của hàm cho bởi phương trình tham số
( )
( )
x x t
y y t
'
'
'
( )
( )
( )
y t
dy y x dx dx
x t
Vi phân của hàm ẩn
là hàm ẩn xác định từ pt ( )y y x ( , ) 0.F x y
' ( )dy y x dx
Ứng dụng vi phân cấp một tính gần đúng
'0 0 0( ) ( ) ( ) f x x f x f x x x
là hàm khả vi trong lân cận của x0. ( )y y x
'0 0 0( ) ( )f x f x f x x x
Công thức tính gần đúng nhờ vi phân cấp 1.
'0 0 0( ) ( )f x f x f x x x
f df
Thay vì tính giá trị phức tạp, tính df đơn giản hơn. f
a)
Ví dụ Cho . 3 2( ) 2 1f x x x x
a) Tính và , nếu x thay đổi từ 2 đến 2.01. f df
b) Tính và , nếu x thay đổi từ 2 đến 2.05. f df
3 2(2) 2 2 2.2 1 9f
3 2(2.01) 2.01 2.01 2. 2.01 1 9.140701f
0 0( ) ( )f f x x f x (2.01) (2 0.14) 0701f f
' 0 0( )df f x x x 23.2 2.2 2 0.01 0.14
b) Tương tự. 0.717625f 0.7df
Khi x thay đổi nhỏ, và càng gần nhau. f df
Ví dụ a) Tìm vi phân cấp 1 tại của . 3f x
b) Sử dụng a), tính gần đúng . 3.98
' 1( )
2 3
f x
x
1
2 3
df dx
x
0 1x
1 1
(1) ( 1)
4 4
df dx x
1
( ) (1) 1
4
f x f x khi x gần 0 1x
3.98 3 0.98
x
1
(1) (0.9 )8 1
4
f 1.995
Nếu dùng máy tính: 1.99493.98 9373
'(1) (1) 1y y f x
3.98
Giá trị gần
đúng
Giá trị chính xác
của 3.98
Trong ví dụ này, tiếp tuyến nằm trên đồ thị hàm số nên
giá trị gần đúng luôn lớn hơn giá trị chính xác.
Ví dụ Bán kính của hình cầu đo được là 21cm, với
Thể tích hình cầu là:
sai số không quá 0.05cm. Hỏi sai số lớn nhất của thể
tích hình cầu đo được so với thể tích thực là bao nhiêu?
34
3
V r
Sai số lớn nhất của thể tích là V dV
' ( )V V r r 2 34 21 0.05 277 (cm )
21, 0.05r r
Vi phân cấp cao
Vi phân (nếu có) của df(x) được gọi là vi phân cấp
hai của hàm y = f(x).
'( ) ( )df x f x dx là một hàm theo biến x.
2 ( )d f x d df ' ( )d f x dx ' ( )dxd f x
'
' ( )dx f x dx '' ( )f x dxdx '' 2( )f x dx
Tương tự, vi phân cấp n là vi phân (nếu có) của vi
phân cấp n – 1:
( )( ) ( )n n nd f x f x dx
Vi phân cấp cao của hàm hợp
( )
( )
f f u
u u x
Vi phân cấp một có tính bất biến: ' '( ) ( )df f x dx f u du
Vi phân cấp hai 2 '( )d f d df d f u du
Chú ý: dx là hằng số, du không là hằng số: ' ( )du u x dx
'2 ') ( ))( (d f dud f uu f u d d
' 2' '( ) ( ( ))f u u du udu f u d
2 '' 2 ' 2( ) ( )d f f u du f u d u hoặc
2 '' 2( )d f f x dx
Vi phân cấp 2 không còn tính bất biến.
III. Các định lý về giá trị trung bình
Định lý Rolle Cho hàm y = f(x).
1) Liên tục trên đoạn [a,b]
2) Khả vi trong khoảng (a,b)
3) f (a) = f(b)
, :c a b
' ( ) 0f c
Định lý Fermat
Hàm y = f(x) xác định trong lân cận của điểm x0 và đạt
cực trị tại đó. Nếu tồn tại đạo hàm , thì
'
0( )f x
'
0( ) 0.f x
Nêu lên mối liên hệ giữa hàm y = f(x) và đạo hàm .
' ( )f x
III. Các định lý về giá trị trung bình
3)
Định lý Lagrange Cho hàm y = f(x).
1) Liên tục trên đoạn [a,b]
2) Khả vi trong khoảng (a,b)
, :c a b
'( ) ( ) ( )
f b f a
f c
b a
Định lý Cauchy Cho hai hàm y = f(x) và y = g(x).
1) Liên tục trên đoạn [a,b]
2) Khả vi trong khoảng (a,b)
, :c a b
'
'
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
f b f a f c
g b a g c
( ) 0, ,g x x a b
Hàm khả vi trên đoạn [1,3] và bằng 0 tại các điểm ( )f x
Ví dụ
Kiểm tra tính đúng đắn của định lý Rolle đối với hàm
( ) ( 1)( 2)( 3)f x x x x
x = 1, x= 2, x = 3.
Trên hai đoạn [1,2] và [2,3] đối với hàm f(x) thỏa mãn tất
cả các điều kiện của định lý Rolle.
Tồn tại ít nhất hai điểm của khoảng (1,3) tại đó
' ( ) 0f x
' 2( ) 3 12 11 0f x x x
1 2
1 1
2 ; 2
3 3
c c
1 2[1,2]; [2,3]c c
' '(1) 1 (1)f f
Khảo sát tính khả vi tại x = 1. Dùng định nghĩa tìm được
'(2) (0) ( ) 2 0 ,0 2f f f c c
' '
2
1
( ) ,0 1, ( ) ,1 2f x x x f x x
x
Ví dụ. Xác định giá trị trung gian c trong đlý Lagrange
23
, 0 1
2( )
1
, 1
x
x
f x
x
x
đối với hàm trên đoạn [0,2].
Vậy f(x) khả vi, liên tục trên đoạn [0,2]. Theo đlý Lagrange
2
2 , 0 1
1
2/ , 1 2
c c
c c
1/ 2 2c c
Trên đoạn [0,2], hàm khả vi và liên tục.
Áp dụng đlý Lagrange, ta có:
Ví dụ. Giả sử . Hỏi giá trị lớn nhất '(0) 3,( ) ( ) 5f x f x
của f(2) có thể là bao nhiêu?
'(2) (0) ( ) 2 0f f f c '2 ( )f c
'(2) (0) 2 ( )f f f c
(2) 3 2 5 7.f
Hàm liên tục và khả vi trên đoạn [a,b]. ( ) arctanf x x
Ví dụ
Chứng minh bất đẳng thức
arctan arctana b a b
'( ) ( ) ( )f b f a f c b a
Theo định lý Lagrange, tồn tại một hằng số ,c a b
2
1
( ) ( )
1
f b f a b a
c
arctan arctana b a b
IV. Công thức Taylor, Maclaurint
Hàm số y = f(x) có đạo hàm đến cấp n trong lân cận x0.
Mục đích. Tìm một đa thức bậc n, sao cho:
1) ( ) ( )0 0 0 0( ) ( ); 1,..., ( ) ( )
k k
n nf x P x k n f x P x
2) là xấp xĩ tốt nhất cho hàm f(x) trong lân cận ( )nP x
của x0 ( tức là là VCB bậc cao hơn ) ( ) ( )nf x P x 0( )
nx x
IV. Công thức Taylor, Maclaurint
Định nghĩa
Đa thức gọi là đa thức
Hàm số y = f(x) có đạo hàm đến cấp n trong lân cận x0.
Taylor của hàm f(x) trong lân cận của x0
( )
0
0 0
1
( )
( ) ( )
!
kn k
n
k
f x
P x f x x x
k
Chú ý: Với một hàm có đạo hàm đến cấp n cho trước ta
luôn tính được đa thức Taylor.
Trong định lý sau ta thấy Pn(x) là xấp xĩ (tốt nhất) cho
hàm y = f(x) (khác nhau một đại lượng là VCB bậc n + 1)
Định lý
Hàm số y = f(x) có đạo hàm đến cấp n + 1 trong lân cận
' ''
20 0
0 0 0
( ) ( )
( )
1
)
! 2!
(
f x f x
f x x xf x x x
IV. Công thức Taylor, Maclaurint
điểm . Công thức Taylor của f(x) đến cấp n tại x0 là: 0x
( 1)
1
( )
0
0 0
( )
( )
( 1)!
( )
!
n
n
n
n ff x
x x x
n
x
n
Phần dư thứ n: ( )nR x
( )
0
0 0
1
( )
( ) ( ) ( )
!
kn k
n n n
k
f x
f x f x x x R x P x R x
k
là số nằm giữa x và x0
Từ công thức Taylor, ta có:
Định lý
Trong định nghĩa của công thức Taylor, ta có:
0( ) nnR x x x
( ) ( )n nR x f x P x
( ) ( )0 0 0 0( ) ( ), 1,..., ( ) ( )
k k
n nf x P x k n f x P x
' ( )
0 0 0( ) ( ) ( ) 0
n
n n nR x R x R x
0 0 0
' ( )
1
0 0
( ) ( ) ( )
lim lim lim 0
!
n
n n n
n nx x x x x x
R x R x R x
nx x n x x
0( ) nnR x x x
Sử dụng qui tắc Lopital n lần, ta được:
Phần dư ghi ở dạng Peano
0 nnR x x x
Phần dư là một vô cùng bé bậc cao hơn 0
n
x x
Khi không quan tâm đến phần dư, sử dụng dạng Peano
Phần dư ghi ở dạng Lagrange
( 1)
1
0 0 0,
( 1)!
n
n
n
f
R x x x x x x x
n
Khi cần đánh giá phần dư, sử dụng dạng Lagrange:
Khai triển Taylor tại x0 = 0 gọi là khai triển Maclaurint.
Khai triển Maclaurint của một số hàm thường gặp
2 3
1) 1 ( )
2! 3! !
n
x nx x xe x x
n
2 3
12) ln(1 ) ( 1) ( )
2 3
n
n nx x xx x x
n
3 5 2 1
2 23) sin ( 1) ( )
3! 5! (2 1)!
n
n nx x xx x x
n
2 4 2
2 14) cos 1 ( 1) ( )
2! 4! (2 )!
n
n nx x xx x
n
Khai triển Maclaurint của một số hàm thường gặp
3 5 2 1
2 25) sinh ( )
3! 5! 2 1 !
n
nx x xx x x
n
2 4 2
2 16) cosh 1 ( )
2! 4! 2 !
n
nx x xx x
n
21 1 ( 1)7) 1 1 ( )
2! !
n nnx x x x x
n
3 5 2 1
2 28) arctan ( 1) ( )
3 5 2 1
n
n nx x xx x x
n
Có thể dùng phương pháp sau để nhớ các khai triển
ln(1 )
1
dx
x
x
2 3
1ln(1 ) ( 1) ( )
2 3
n
n nx x xx x x
n
2
arctan
1
dx
x
x
2 3 1 1 11 ( 1) ( )n n nx x x x x dx
2 4 1 2 2 2 21 ( 1) ( )n n nx x x x dx
3 5 2 1
1 2 1arctan ( 1) ( )
3 5 2 1
n
n nx x xx x x
n
ln(1 ),arctan ,arcsin ,arccos ,...x x x x
2 2 3
1 2 3( ) 1 ; ( ) 1 ; ( ) 1 ;
2! 2! 3!
x x x
P x x P x x P x x
3( )P x
1( )P x
2 ( )P x
3( )P x
2 ( )P x
Các ứng dụng của công thức Taylor, Maclaurint
1) Xấp xỉ hàm y = f(x) bởi một đa thức bậc n.
2) Tìm đạo hàm cấp cao của y = f(x) tại điểm x0.
3) Tìm giới hạn của hàm số.
4) Tính gần đúng với độ chính xác cho trước.
Ví dụ. Tìm khai triển Maclaurint đến cấp 3 của hàm
2
1
( )
5 6
f x
x x
1
( )
2 3
f x
x x
2 31 1
1
n nx x x x x
x
2 31 1 ( 1)
1
n n nx x x x x
x
1 1
2 3x x
1 1 1 1
2 1 / 2 3 1 /3x x
2 3 2 3
3 31 11 ( ) 1 ( )
2 2 4 8 3 3 9 27
x x x x x x
x x
2 3
31 5 19 65( )
6 36 216 1296
x x x
f x x
Ví dụ. Tìm khai triển Maclaurint đến cấp 5 của hàm
22( ) x xf x e
2
2 32 2
2 2
2 2
( ) 1 2
2! 3!
x x
x x x x
f x e x x
4 52 2
5
2 2
( )
4! 5!
x x x x
x
2 3 4 5 52 5 1( ) 1 2 ( )
3 6 15
f x x x x x x x
Khai triển, rút gọn, sắp xếp các số hạng theo bậc tăng dần
Ví dụ. Tìm khai triển Maclaurint đến cấp 4 của hàm
( )
1x
x
f x
e
2 3 4 5
5
( )
1 ( ) 1
2! 3! 2! 2!
x
f x
x x x x
x x
2 3 4
4( )
2! 3
1
1
5!
( )
! 4!
x x
f
x
x
x
x
Chia tử và
mẫu cho x
2 3 4 41 1 ( )
1
t t t t t
t
chú ý: 0t
2 4
4( ) 1 ( )
2 12 720
x x x
f x x
Ví dụ. Tìm khai triển Maclaurint đến cấp 4 của hàm
Nhân tử và mẫu cho 1 + x, ta được:
2
2
1
( )
1
x x
f x
x x
2
3
1 2 2
( )
1
x x
f x
x
2 3
1
1 2 2
1
x x
x
2 3 41 2 2 1 ( )x x x x
2 4 4( ) 1 2 2 2 ( )f x x x x x
Đổi biến, đặt:
Ví dụ. Tìm khai triển Taylor tại x0 = 2 đến cấp 3 của hàm
2 1
( )
1
x
f x
x
2 2 1
2 1
X
f
X
2 3
1
X
X
2 2X x x X
2 3 32 3 1 ( )X X X X X
2 3 33 ( )f X X X X
2 3 33 2 2 2 2f x x x x
Đổi biến, đặt:
Ví dụ. Tìm khai triển Taylor tại x0 = 2 đến cấp 3 của hàm
2
1
( )
5 6
x
f x
x x
2
1 5 1 6
X
f
X X
2 3 2
X
X X
1 1X x x X
1 1
1 2
X
X X
1 1 1
1 2 1 / 2
X
X X
2
2 2 211 1
2 2 4
X X
f X X X X X
2 3 31 3 7( ) -1 + -1 + -1 1
2 4 8
f x x x x x
Đổi biến, đặt:
Ví dụ. Tìm khai triển Taylor tại x0 = 1 đến cấp 3 của hàm
( ) ln(2 3 )f x x
ln 2 3 1f X ln 5 3X
1 1X x x X
3
ln5 ln 1
5
X
2 3
33 1 3 1 3ln5
5 2 5 3 5
X X X
X
3
ln 5 1
5
X
2 3 33 9 9( ) ln(5) -1 - -1 -1 -1
5 50 125
f x x x x x
Đổi lại biến x, sắp xếp theo thứ tự tăng dần của bậc
Ví dụ. Tính giới hạn 30
tan sin
lim
x
x x
I
x
3
4sin
3!
x
x x x
3
3tan
3
x
x x x
3 3
3 3tan sin ( ) ( )
3 3!
x x
x x x x x x
30
tan sin
lim
x
x x
I
x
3
3tan sin ( )
2
x
x x x
3
3
30
( )
2lim
x
x
x
x
3
30
1 ( )
lim
2 x
x
x
1
0
2
Ví dụ. Tính giới hạn
3 2
30
ln 1 2sin 2 cos
lim
x
x x x x
I
x
3 4
3 3 4 5
30
( ) 2 2 1
3! 2!
lim
x
x x
x x x x x x
I
x
3 3 3ln(1 ) ( )x x x
3
3
30
4
( )
3lim
x
x
x
x
3
30
4 ( )
lim
3 x
x
x
4
0
3
3
4sin
3!
x
x x x
2
3cos 1
2!
x
x x
Ví dụ. Tính giới hạn
2
0
1 2 tan
lim
arcsin sin
x
x
x e x
I
x x
3
4sin
3!
x
x x x
3
3arcsin
6
x
x x x
3
3tan
3
x
x x x
2 3
31 ( )
2! 3!
x x xe x x
2 3 2 3
3 3 2
3 30
3 4
5
1 ( ) 1 ( )
2 6 2! 3!
lim
6 3!
x
x x x x
x x x x x
I
x x
x x x x
3 3
3 30
2 / 3 ( ) 2
lim
3/3 ( )x
x x
I
x x
dụ. Tính giới hạn
3
2
0
ln 1
3lim
tanhx
x
x x x
I
x x
3
4sinhtanh
cosh 3
x x
x x x
x
3 4 3
3 40
/ 6 ( ) /3 1
lim
18/3 ( )x
x x x x x
I
x x x x
'
2
2
1
ln 1
1
x x
x
2
31
2
x
x
3
2 4ln 1
6
x
x x x x
Phần dư trong khai triển Maclaurint của hàm y = cos x là
(2 2)
2 2( ) ,0
2 2 !
n
n
n
f
R x x x
n
2 2cos ( 1)( )
2 2 !
n
n
x n
R x x
n
2 21
0.2
2 2 !
n
n
Tìm n để
7
2 2
1 1 1
10
(2 2)! 100000005
n n
R
n
Ví dụ. Tính gần đúng với độ chính xác . cos 0.2A 710
2n
2 4
cos 1
2! 4!
x x
x
2 4(0.2) (0.2)
cos(0.2) 1
2! 4!
=0.9800666667
Tìm đạo hàm cấp n
11) ( 1)2xx
3
2) ln
3
x
x
x
23) ln 3 2x x x
2 24) ( )cosx x x
2 2 35) 3 2 xx e
1 1ln 2 2 ((ln 2)( 1) )n x x n
( 2)!((3 )(3 ) ( 1) (3 )(3 ) )n n nn n x x n x x
( 1) ( 2)!(( )( 1) ( 2 )( 2) )n n nn x n x x n x
3 2 22 ((4 4 )cos 2 2 2 1 sin 2
2 2
n n nx x n n x n x x
2 2 2 2 3( 3) 36 12(9 2 ) 81 32 4n xx n x n n e
Tìm khai triển Maclaurint đến cấp n
2
2
3
1) , 3
x
x
x e
n
e
2 3
2) ln , 3
3 2
x
n
x
23) ln 3 2 , 4x x n
4) (1- ) ln(1 ) - (1 )ln(1- ), 5x x x x n
2
4
5)
5 6
x
x x
2 3 35 53 3 ( )
2 3
x x x x
2 3 313 65 793ln(2 / 3) ( )
6 72 648
x x x x
2 3 4 43 5 3 17ln 2 ( )
2 8 8 64
x x x x x
3 5 55 92 ( )
3 10
x x x x
2 3 32 13 53 187 ( )
3 18 108 648
x x x x
22
5 5
6) , 3
2
x x
n
x x
7) cosh3 , 5x x n
4
2
1
8) , 4
1
x
n
x
29) ln 1 , 5x x n
211) cosh , 5x x n
10) sinh cosh 2 , 5x x n
2 3 35 5 7 17 ( )
2 4 8 16
x x x x
3 5 59 27 ( )
2 8
x x x x
2 4 41 2 ( )x x x
3 5 51 3 ( )
6 40
x x x x
3 5 513 121 ( )
6 120
x x x x
3 5 51 ( )
3
x x x x
312) 4 sinh 2 , 4x x x n
2 2
1
13) , 8
2 2 -
n
x x
2
1
14) , 9
1
n
x x
cos15) , 4x xe n
2 3
1
16) , 5
1
n
x x x
2
2
1 1
17) , 6
1 1
x
n
x
2 4 4108 ( )
3
x x x
4 8 82 2 7 2 ( )
4 128 8192
x x x
3 4 6 7 9 91 ( )x x x x x x x
2 3 4 41 1 111 ( )
2 3 24
x x x x x
4 5 51 ( )x x x x
2 4 6 61 1 5 ( )
4 8 64
x x x x
Tìm khai triển Taylor tại x0 đến cấp n
2 21) ( 1) , 1, 3xx e x n
2) ln 2 1 , 1/ 2, 3x x n
2 1
3) ln , 1, 4
-1
x
x x n
x
2 3
4) , 1, 3
1
x x
x n
x
2 2 15) , 1, 4x xe x n
2 32 32 1 3 1 2 1 (( 1) )e x x x x
2 3 3
1 1 1 1 1 1
ln 2
2 2 2 3 2 2
x x x x
3 4 4
1 1 1
3 1 1 1 1
2 12 10
x x x x
2 3 3
3 1 1
2 1 1 1 1
2 4 18
x x x x
2 4 42
1
1 1 1 1
2
e x x x
26) ln(2 ), 1, 3x x x n
2
2
7) , 2, 3
1
x
x n
x
2
1
8) , 1, 4
2 -
x n
x x
2
9) 2 , 1/ 2, 3x x x n
3 2
2
10) , 2, 5
4 5
x
x n
x x
2 3
1 5 7
ln 2 1 1 1 (( 1) )
2 8 24
x x x x
2 3 3
4 10 28 82
2 2 2 2
3 9 27 81
x x x x
2 4 4
1 3
1 1 1 1
2 8
x x x
2 3
4 4 1 12 2 ln 2
2 2
x x
3 5 5
1 2
2 2 2 1
3 9
x x x x
Tính giới hạn
2
40
cos 1
21) lim
x
x
x
x
0
arctan arcsin
2) lim
tan sinx
x x
x x
0
1 cos 1 2
3) lim
ln(1 )x
x x x
x x
20
1 1
4) lim
x
x
x
x
arctan
30
ln(1 ) 1
5) lim
2 4
x
x
e x
x
1
24
1
1
1
2
Tính giới hạn
sin
0
ln(1 ) 1
6) lim
arcsin sin
x
x
e x
x x
tan 2
30
sin
7) lim
tan
x
x
xe x x
x x x
2 2 3
20
ln(1 ) arcsin
8) lim
sin
x
x
x e x x
x x x
3 4
0
1 2 cos
9) lim
tanx
x x
x x
/(1 )
6 60
sinh cos
10) lim
1 1 2
x x
x
e x x
x x
6
3
1
3
4
72
5
1/ 3
20
cosh 2 (1 3 )
11) lim
/ 2 ln(1 tan ) arcsinx
x x x
x x x
sin 2
20
1 arcsin
12) lim
sinh( ) ln 1 2
x
x
e x x
x x x
sinh 1/ 2 20
sin arctan tan
13) lim
(1 2 )xx
x x
e x x
20
arcsin
14) lim
1 tan
x
x
x xe
x x x
2
0
tan ln( 1 )
15) lim
sin cosx
x x x
x x x
3
2
1
7
5
1
28
3
20
1 2 2
16) lim
tan sin 2
x
x
e x x
x x x
0
1 1
17) lim
sin cosh sinh
x
x
e x x
x x x
3 40
ln(1 sin ) 1
18) lim
8 2
x
x
e x
x
3
50
sin 1 sin1
19) lim
1 2 ln cos 1x
x
x x
3cos 2
20
1 4
20) lim
(1/ )arcsin 2 2cosh
x
x
e e x
x x x
5
8
e
5
cos1
2
1
2
7
4
2
5
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giai_tich_1_chuong_2_daohamviphan_3855.pdf