VI. Cực trị hàm nhiều biến:
1. Định nghĩa: Cho hàm số f(x) = f(x1, x2, ., xn) xác định trên
D ? Rn và a = (a1, a2, ., an) ? D. Ta nói f đạt cực đại (cực tiểu)
địa phương tại a nếu tồn tại tập S = {x ? D/ ?(x, a) < a} sao cho
f(a) = f(x) (hoặc f(a) = f(x)), ? x ? S.
Cực đại địa phương hay cực tiểu địa phương gọi chung là cực trị
địa phương
179 trang |
Chia sẻ: nguyenlam99 | Lượt xem: 833 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Toán cao cấp - Chương 0: Tập hợp và ánh xa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
)
x
a
f x dx∫ = ( )
x
a
f t dt∫ = ( )
x
a
f y dy∫
i) Định lý: Cho f là hàm liên tục trên [a, b]. Khi đó
φ(x) = ( )
x
a
f t dt∫ khả vi tại x∈ (a, b) và
Toán cao cấp : Giải tích 132
φ’(x) = ( ) d x d
dx dx
φ
= ( )
x
a
f t dt∫ =
/
( )
x
a
f t dt
∫ = f(x)
Chứng minh: Lấy h khá bé sao cho x, x + h ∈ (a, b). Ta có:
φ(x+h) - φ(x)
= ( ) ( )
x h x
a a
f t dt f t dt
+
−∫ ∫ = ( ) ( ) ( )
x x h x
a x a
f t dt f t dt f t dt
+
+ −∫ ∫ ∫ = ( )
x h
x
f t dt
+
∫
Từ định lý giá trị trung bình ta suy ra:
φ(x+h) - φ(x)= f(c)(x + h - x)= f(c)h,
với c ∈ [x, x + h] hoặc c ∈ [x + h, x]
Vì f liên tục tại x nên khi h → 0 thì c → x. Do đó
0
lim ( ) lim ( )
h c x
f c f c
→ →
= = f(x)
⇒ φ’(x) = ( ) ( )lim x h x
h
φ φ+ − =
0
( )lim
h
hf c
h→
= lim ( )
c x
f c
→
= f(x) với x ∈ (a, b)
Tương tự: Nếu x = a ta có φ’(a+) = f(a)
Nếu x = b ta có φ’(b-) = f(b)
ii) Hệ quả: Nếu f liên tục trên [a, b] thì φ(x) = ( )
x
a
f t dt∫ là một
nguyên hàm của f trên [a, b].
2. Công thức Newton - Leibnitz :
Định lý: F là nguyên hàm của f trên [a, b] thì
( )
b
a
f x dx∫ = F(b) - F(a)
Chứng minh:
Từ hệ quả trên ta có F(x) và ( )
x
a
f t dt∫ là 2 nguyên hàm của
Toán cao cấp : Giải tích 133
f trên [a, b] thì : ( )
x
a
f t dt∫ = F(x) + C
+ Cho x = a : 0 = ( )
a
a
f t dt∫ = F(a) + C ⇒ C = -F(a)
+ Cho x = b : ( )
b
a
f t dt∫ = F(b) + C = F(b) - F(a)
Ví dụ 1:
5
2
2
( 3 ) x x dx−∫ =
3 2 5
( 3 )
23 2
−
x x = 125 75 8 12
3 2 3 2
− − −
Ghi chú: Ta thường viết:
( )
b
a
f x dx∫ = F(x)
b
a
= F(b) - F(a)
Ví dụ 2:
1
0
xarctgxdx∫
Đặt: u = arctgx ⇒ du = 2 1
dx
x+
dv = xdx, chọn v = 1
2
(x2 + 1)
Ta có
1
0
xarctgxdx∫ =
1
2
0
11 1( 1) dx
02 2
x arctgx+ − ∫ =
1
4 2
pi
−
Ví dụ 3: 2 2
0
a
a x dx−∫ (a > 0)
2 2
0
a
a x dx−∫ =
2
2 2( arcsin )
02 2
− +
ax a x
a x
a
=
2
2 2
a pi = 1
4
pia2
Nhận xét: Giả sử f liên tục trên [a, b], ϕ(x), h(x) khả vi và có
miền giá trị ⊂ [a, b].
Toán cao cấp : Giải tích 134
Ta có:
( )
( )
( )
h x
x
d
f t dt
dx ϕ
∫ =
( )
( )
( )
h xd
F t
xdx ϕ
= (
( )
( )
( )
h x
x
f t dt
ϕ
∫ )’
= [F(h(x) ) - F(ϕ(x))]’ = h’(x)F ’(h(x)) - ϕ’(x)F ’(ϕ(x))
= h’(x)f(h(x)) - ϕ’(x)f(ϕ(x))
Ví dụ 1:
2
0
21
x
d
t dt
dx
+∫ = -
2
2
0
1
x
d
t dt
dx
+∫ = -(x
2)’ 2 21 ( ) x+
= -2x 41 x+
Ví dụ 2: Tính :
2
0
30
sin
lim
+→
=
∫
x
x
xdx
x
2 /
0
3 /0
sin
lim
( )+→
∫
x
x
xdx
x
=
2
20
2 sinlim
3x
x x
x+→
=
0
2sinlim
3x
x
x+→
= 2
3
Ví dụ 3:
2
1
1
sin
lim
1
x
x
x
xdx
x→ −
∫
=
2 2
2
2
1
1 1 1sin sin
32lim sin 1
1 2x
x
x xx
→
+
=
V. Các phương pháp tính tích phân xác định :
1. Phương pháp đổi biến số :
a) Cho ( )
b
a
f x dx∫ với f liên tục trên [a, b]
Nếu x = ϕ(t) thỏa :
i) ϕ khả vi liên tục trên [α, β]
ii) ϕ (α) = a, ϕ (β) = b
iii) Khi t biến thiên trên [α, β] thì x biến thiên trên [a, b]
Toán cao cấp : Giải tích 135
Khi đó, ta có ( )
b
a
f x dx∫ = [ ]( ) '( ) f t t dt
β
α
ϕ ϕ∫
Chứng minh: Giả sử F là nguyên hàm của f trên [a, b]
Ta có: ( )
b
a
f x dx∫ = F(b) - F(a) (1)
[ ]( ( )) '( ) ( )
β
α
βϕ ϕ ϕ
α
=∫ f t t dt F t = F(ϕ(β)) - F(ϕ(α)) = F(b) - F(a) (2)
(1) và (2) ⇒ đpcm
Ví dụ 1:
2
2
2
4 x dx
−
−∫ = 2
2
2
0
4 x dx−∫
Đặt x = 2sint, 0 ≤ t ≤
2
pi
⇒ dx = 2costdt và t = arcsin
2
x
x0 = 0⇒ t0 = 0, x1 = 2 ⇒ t1 =
2
pi
Suy ra
2
2
0
2 4 x dx−∫ =
2
2
0
2 4 4sin t
pi
−∫ 2costdt =
2
0
2 4
pi
∫ cos
2tdt
=
2
0
4 (1 cos2 ) t dt
pi
+∫ =
14 sin2 2
2 0
t t
pi
+
= 2pi
Ví dụ 2: Cho a > 0, tính
2 2 3
0
( )
a dx
a x+
∫
Đặt :x = atgt, 0 ≤ t ≤
4
pi
Suy ra t = arctg x
a
và dx = a(1 + tg2t)dt
x0 = 0 ⇒ t0 = 0 , x1 = a ⇒ t1 =
4
pi
Toán cao cấp : Giải tích 136
2 2 3
0
( )
a dx
a x+
∫ =
24
2 2 2 3
0
(1 )
( )
a tg t dt
a a tg t
pi
+
+
∫ =
4
2 2
0
1
1
dt
a tg t
pi
+
∫
=
4
2
0
1 cos tdt
a
pi
∫ = 2
1 sin 4
0
t
a
pi
=
2
1
2a
b) Cho f liên tục trên [a, b]. Nếu u = h(x) thỏa:
i) h khả vi đơn điệu trên [a, b]
ii) Khi x biến thiên trên [a, b] ta có f(x)dx thành g(u)du.
thì ( )
b
a
f x dx∫ =
( )
( )
( )
h b
h a
g u du∫ = ( ( )) '( )
b
a
g h x h x dx∫
Chứng minh: tương tự.
Ví dụ 1:
4
2
6
cos
2 3sin
xdx
x
pi
pi +
∫
Đặt: u = sinx ⇒ du = cosxdx
x0 =
6
pi ⇒ u0 =
1
2
, x1 =
4
pi ⇒ u1 = sin
4
pi = 1
2
⇒
4
2
6
cos
2 3sin
xdx
x
pi
pi +
∫ =
1
2
2
1
2
2 3
du
u+∫
=
1
2
21
2
1 23
3
du
u+
∫
=
1
3 1 3 2
2 3 12
2
arctg u = 1 3 3
26 2 2
arctg arctg
−
Ví dụ 2:
1
2
1
2 cos 1
dx
x x α
−
− +∫
(0 < α < pi)
Toán cao cấp : Giải tích 137
=
1
2 2
1
( cos ) sin
dx
x α α
−
− +∫
,
Đặt u = x - cos α ⇒ du = dx
x0 = -1 ⇒ u0 = -1 - cosα; x1 = 1 ⇒ u1 = 1 - cosα
⇒ I =
1 cos
2 2
1 cos
sin
du
u
α
α α
−
− −
+∫
= 1
sinα
1 cos
1 cossin
u
arctg
α
αα
−
− −
= 1 1 cos ( 1 cos )
sin sin sin
arctg arctg
α α
α α α
− − −
−
=
2 22sin 2 cos1 2 2
sin 2sin cos 2sin cos
2 2 2 2
arctg arctg
α α
α α α αα
+
= 1 ( ) (cot )
sin 2 2
arctg tg arctg g
α α
α
+
= 1 ( ) ( )
sin 2 2 2
arctg tg arctg tg
α pi α
α
+ −
= 1
sin 2 2 2
α pi α
α
+ −
=
2sin
pi
α
2. Tích phân từng phần:
Cho ( ) ( ),u u x v v x= = là các hàm khả vi và có đạo hàm liên tục
trên [ ];a b . Khi đó
b b
a a
b
udv uv vdu
a
= −∫ ∫
Ví dụ 1:
1
1
2
xarctgxdx
−
∫ Đặt : u = arctgx ⇒ du = 21
dx
x+
dv = xdx, chọn v = 1
2
(x2 + 1)
Toán cao cấp : Giải tích 138
⇒
1
1
2
xarctgxdx
−
∫ =
1 1
2
1 1
2 2
1 1( 1)
2 2
−
−
+ − ∫x arctgx dx
= 5 1 3
4 8 2 4
arctg
pi
+ −
Ví dụ 2:
i) Chứng minh:
2
0
sin n xdx
pi
∫ =
2
0
cosn xdx
pi
∫ với n ∈ℕ , 2n ≥ .
ii) Tính:
2
0
sinn xdx
pi
∫ với n ∈ℕ , 2n ≥ .
i) Đặt : x = -u
2
pi ⇒ dx = -du, u =
2
pi - x,
x0 = 0 ⇒ u0 =
pi
2
, x1 =
2
pi ⇒ u1 = 0. Do đó:
2
0
sin n xdx
pi
∫ =
0
2
sin ( )
2
n u du
pi
pi
− −
∫ =
2
0
cos n udu
pi
∫ =
2
0
cos n xdx
pi
∫
ii)
2
0
sin n xdx
pi
∫ =
2
1
0
sin sin n x xdx
pi
−
∫
Đặt u = sinn - 1x ⇒ du = (n - 1)cosx.sinn -2xdx
dv = sinxdx, chọn v = -cosx
⇒ In =
2
0
sin n xdx
pi
∫ =
2
1
0
sin sin n x xdx
pi
−
∫
= 1 2
0
cos sin
pi
−
−
nx x +
2
2 2
0
( 1) cos sin nn x xdx
pi
−
− ∫
Toán cao cấp : Giải tích 139
=
2
2 2
0
( 1) (1 sin )sin nn x xdx
pi
−
− −∫ = (n - 1)In - 2 - (n - 1)In
⇒ nIn = (n - 1)In – 2
⇒ In =
1 n
n
− In - 2 =
1 3
2
n n
n n
− −
−
In - 4
= 1 3 5
2 4
n n n
n n n
− − −
− −
In - 6 ...
Vậy,
In =
− − −
− −
− − −
− −
0
1
1 3 5 7 5 3 1. . ... . . . (khi n = 2k)
2 4 8 6 4 2
1 3 5 8 6 4 2. . ... . . . . (khi n = 2k+1)
2 4 9 7 5 3
n n n
I
n n n
n n n
I
n n n
mà: I0 =
2
0
0
sin xdx
pi
∫ = 2
pi , I1 =
2
0
sin xdx
pi
∫ = -cosx 2
0
pi
= 1
⇒In=
pi −
=
= +
+
(2 1)!! ( 2 )
(2 )!! 2
(2 )!! ( 2 1)
(2 1)!!
k
khi n k
k
k
khi n k
k
Qui ước: (2k)!! = 2. 4. 6. 8... (2k - 2)(2k)
(2k + 1)!! = 1. 3. 5. ... (2k - 1)(2k + 1)
VI. Tích phân suy rộng:
Tích phân xác định ( )
b
a
f x dx∫ đã xét ở trên với [a, b] hữu hạn và f
liên tục trên [a, b] hoặc f có số hữu hạn điểm gián đoạn loại 1
trên [a, b].
Trong phần này ta xét:
• Tích phân trên một khoảng vô hạn.
Toán cao cấp : Giải tích 140
• Tích phân trên [a, b] và trên [a, b] có điểm gián đoạn vô
cùng.
1. Tích phân trên một khoảng vô hạn:
Cho hàm số f xác định trên [a, +∞) khả tích trên [a, b], ∀b ≥ a.
Khi đó tích phân xác định ( )
b
a
f x dx∫ là tồn tại ∀b ≥ a.
Định nghĩa:
i) Cho f xác định trên [a, +∞) khả tích trên [a, b], ∀b ≥ a .Ta
định nghĩa tích phân suy rộng của f trên [a, +∞) là:
( )
a
f x dx
+∞
=∫ lim ( )
b
b
a
f x dx
→+∞ ∫
ii) Tương tự, nếu hàm số f khả tích trên [c, a] ,∀c ≤ a, ta định
nghĩa tích phân suy rộng của f trên ( , ]a−∞ là
( ) lim ( )
→ − ∞
− ∞
=∫ ∫
a a
c
c
f x dx f x dx
iii) Cho f xác định trên (-∞, +∞) và khả tích trên mọi khoảng
đóng [a, b], b ≥ a. Ta định nghĩa tích phân suy rộng của f trên
(-∞, +∞) là
( ) ( ) ( )
a
a
f x dx f x dx f x dx
+∞ −∞
−∞ −∞
= +∫ ∫ ∫
= lim ( )
a
c
c
f x dx
→−∞ ∫ + lim ( )
b
b
a
f x dx
→+∞ ∫
Toán cao cấp : Giải tích 141
• Ta nói tích phân suy rộng ( )
a
f x dx
+∞
∫ là hội tụ nếu
lim ( )
b
b
a
f x dx
→+∞ ∫ tồn tại hữu hạn. Nếu ( )
a
f x dx
+∞
∫ không hội tụ
ta nói nó phân kỳ.
• ( )
a
f x dx
−∞
∫ hội tụ nếu lim ( )
a
c
c
f x dx
→−∞ ∫ tồn tại hữu hạn,
ngược lại ta nói ( )
a
f x dx
−∞
∫ phân kỳ.
• ( ) f x dx
+∞
−∞
∫ hội tụ ( )
a
f x dx
−∞
⇔ ∫ và ( )
a
f x dx
+∞
∫ cùng hội
tụ.
Ví dụ 1:
2
( 3)( 8)
dx
x x
+∞
+ +∫
=
2
lim
( 3)( 8)
b
b
dx
x x→+∞ + +∫
= 1 3lim ln
25 8b
bx
x→+∞
+
+
= 1
5
ln2
Vậy tích phân suy rộng trên là hội tụ.
Ví dụ 2: I =
4
10 1
x dx
x
+∞
−∞
+∫
.
Vì
4
10 1
x
x +
là hàm chẵn nên
I = 2
4
10
0
1
x dx
x
+∞
+∫
= 2
4
10
0
lim
1
b
b
x dx
x→+∞ +∫
=
5
2
0
2 lim
5 ( 1)→+∞ +∫
b
b
du
u
= [ ]
52 lim
5 0b
b
arctgu
→+∞
=
5
pi ( u = x5 )
Ví dụ 3: Khảo sát sự hội tụ của
1
du
xα
+∞
∫
Toán cao cấp : Giải tích 142
( i ) α = 1 :
1
dx
x
+∞
∫ =
1
lim
b
b
dx
x→+∞ ∫
= [ ]lim ln
1b
b
x
→+∞
= +∞ ⇒ phân kỳ
( i i) α ≠ 1 :
1
dx
xα
+∞
∫ =
1
lim
b
b
x dxα−
→+∞ ∫ =
11lim
11b
b
x α
α
− +
→+∞
−
= 11 lim ( 1)
1 b
b α
α
−
→+∞
−
−
=
1 , 1
1
, 1
α
α
α
>
−
+∞ <
nếu
nếu
Tóm lại:
1
du
xα
+∞
∫ hội tụ nếu α > 1 và phân kỳ nếu α ≤ 1
2. Tích phân trên [a, b] có điểm gián đoạn vô cực:
Định nghĩa :
i). Nếu hàm số f khả tích trên [a + ε , b ], ∀ε > 0 và
lim ( )
x a
f x
+→
= +∞ ta định nghĩa tích phân suy rộng của f trên
[a, b] là
0
( ) lim ( ) = lim ( )
b b b
x a
a a x
f x dx f x dx f x dx
ε
ε
+ +→ →
+
=∫ ∫ ∫
ii). Nếu f khả tích trên [a, b - ε] ,∀ε > 0 và lim ( )
x b
f x
−→
= +∞
ta định nghĩa tích phân suy rộng trên [a, b] là
0
( ) lim ( ) = lim ( )
b b x
x b
a a a
f x dx f x dx f x dx
ε
ε + −
−
→ →
=∫ ∫ ∫
iii). Nếu f khả tích trên [a, c - ε), ∀ε > 0, f khả tích trên [c + ε, b),
∀ε > 0 và lim ( )
x c
f x
→
= +∞, ta định nghĩa:
( )
b
a
f x dx∫ = ( ) ( )
c b
a c
f x dx f x dx+∫ ∫ = 0 0lim ( ) lim ( )
c b
a c
f x dx f x dx
ε
ε ε
ε
+ +
−
→ →
+
+∫ ∫
Ghi chú: ( )
b
a
f x dx∫ hội tụ ⇔ ( ) ( )
c b
a c
f x dx và f x dx∫ ∫ cùng hội tụ
Toán cao cấp : Giải tích 143
Ví dụ : Xét
2
2
2
4
dx
x
−
−
∫
Ta có
22
1lim
4x x−→
= +∞
−
;
22
1lim
4x x+→−
= +∞
−
2
2
2
4
dx
x
−
−
∫ =
0 2
2 2
2 0
4 4
dx dx
x x
−
+
− −
∫ ∫
=
0 2
2 20 0
2 0
lim lim
4 4
dx dx
x x
ε
ε ε
ε
+ +
−
→ →
− +
+
− −
∫ ∫
=
0 0
0 2
lim arcsin lim arcsin
2 02 2
x x
ε ε
ε
ε+ +→ →
−
+
− +
=
0 0
2 2lim arcsin lim arcsin
2 2ε ε
ε ε
+ +→ →
− + −
− +
=
2 2
pi pi
− − +
= pi
Định lý:
i). Cho hàm số f khả tích trên [a, b - ε] ∀ε > 0 ;
lim ( )
x b
f x
−→
= +∞ và nguyên hàm F (của f) liên tục trên
[a, b]. Khi đó ( )
b
a
f x dx∫ = F(b) - F(a)
ii). Nếu f khả tích trên [a + ε, b], ∀ε > 0, lim ( )
x a
f x
+→
= + ∞ và có
một nguyên hàm F liên tục trên [a, b] thì
( )
b
a
f x dx∫ = F(b) - F(a)
iii). Nếu f khả tích trên [a, c - ε) ∪ [c + ε, b) và lim ( )
x c
f x
→
=+∞
và f có một nguyên hàm F liên tục trên [a, b] thì
( )
b
a
f x dx∫ = F(b) - F(a)
Toán cao cấp : Giải tích 144
Chứng minh: Ta chứng minh cho i), các trường hợp còn lại là
tương tự.
Ta có: ( )
b
a
f x dx∫ = 0lim ( )
b
a
f x dx
ε
ε +
−
→ ∫ = [ ]0lim ( ) ( ) F b F aε ε+→ − −
= F(b) - F(a)
(Vì F liên tục trên [a, b] nên
0
lim
ε +→
F(b - ε) = F(b))
Ví dụ 1:
2
2
2 4
dx
x
−
−
∫ . Hàm số trong dấu tích phân có một nguyên
hàm là F(x) = arcsin
2
x liên tục trên [-2, 2] nên
2
2
2 4
dx
x
−
−
∫ = arcsin
2
2
- arcsin 2
2
−
=
2 2
pi pi
− −
= pi
Ví dụ 2: Khảo sát sự hội tụ của :
( )
b
a
dx
b x α−∫
(a 0)
1lim
( )x b b x α−→ −
= +∞ ⇒
( )
b
a
dx
b x α−∫
=
0
lim
( )
b
a
dx
b x
ε
αε +
−
→
−
∫
+ Nếu α = 1:
b
a
dx
b x−∫
=
0
lim
b
a
dx
b x
ε
ε +
−
→
−
∫ = 0lim( ln( )
b
b x
aε
ε
+→
−
− −
=
0
lim( ln( ) ln( )b a
ε
ε
+→
− + − = + ∞
+ Nếu α ≠ 1:
( )
b
a
dx
b x α−∫
= 10
1lim
( 1)( )
b
ab x αε
ε
α+ −→
−
− −
= 1 10
1 1lim
( 1) ( 1)( )b aα αε α ε α+ − −→
−
− − −
Toán cao cấp : Giải tích 145
= 1
1
( ) 1
1
b a α
α
α
α
−
+∞ >
−
<
−
Vậy :
• Nếu α ≥ 1 ⇒
( )
b
a
dx
b x α−∫
phân kỳ
• Nếu α < 1 ⇒
( )
b
a
dx
b x α−∫
hội tụ
Ví dụ 3:
( )
b
a
dx
x a α−∫
(a 0) .
Ta có 1lim
( )x a x a α+→ −
= +∞. Và
( )
b
a
dx
x a α−∫
=
0
lim
( )
b
a
dx
x a αε ε
+→
+ −
∫
+ Nếu α = 1
b
a
dx
x a−∫
= ( )
0
lim ln b
a
x a
εε + +→
− =
0
lim [ln( ) ln( )]
ε
ε
+→
− −b a = +∞
+ Nếu α ≠ 1 :
( )
b
a
dx
x a α−∫
=
0
lim
( )
b
a
dx
x a αε ε
+→
+ −
∫ = 10
1lim
( 1)( )
b
a
x a
εαε α+ +−→
−
− −
= 1 10
1 1lim
( 1)( ) ( 1)b a α αε α α ε+ − −→
−
+
− − −
= 1
1
( ) 1
(1 )
b a α
α
α
α
−
+∞ >
−
<
−
Vậy :
• Nếu : α ≥ 1 ⇒
( )
b
a
dx
x a α−∫
phân kỳ
Toán cao cấp : Giải tích 146
• Nếu : α < 1 ⇒
( )
b
a
dx
x a α−∫
hội tụ
3. Một số tiêu chuẩn hội tụ của tích phân suy rộng:
Ta chỉ xét trường hợp f xác định trên [a, +∞), khả tích trên [a, b],
∀b ≥ a. Trường hợp (-∞, a] hay trường hợp [a, b]
(với lim ( )
x a
f x
+→
= +∞ hay lim ( )
x b
f x
−→
= +∞)
được xét bằng cách đưa về dạng ( )
a
f x dx
+∞
∫ .
• Đối với tích phân ( )
b
f x dx
−∞
∫ , ta đổi biến u = -x, du dx= −
và ( ) lim ( ) lim ( )( )
b b b
a a
a a
f x dx f x dx f u du
−
→−∞ →−∞
−∞ −
= = − −∫ ∫ ∫
( )lim ( )
c
c
b b
g u du g u du
+∞
→+∞
− −
= =∫ ∫ với g(u) = f(-u)
• Đối với tích phân ( )
b
a
f x dx∫ , lim ( )x a f x+→ = +∞ ta đổi biến
1
u
x a
=
−
. Khi đó:
( )
( ) ( )
1
1 20 0
1
11
0
1( ) = lim lim
lim
b
b
b a
a
a
b ab a
du
f x dx f x f a
u u
g u du g u du
εε ε
ε
ε
ε
+ +
+
−
+→ →
+∞
→
−
−
−
= +
= =
∫ ∫ ∫
∫ ∫
với ( ) 2
1
f a
u
g u
u
+
=
Toán cao cấp : Giải tích 147
• Đối với tích phân ( )
b
a
f x dx∫ , lim ( )
x b
f x
−→
= +∞ ta đổi biến
1
u
b x
=
−
, khi đó
( )
1
1 20 0
1( ) = lim lim
ε
ε
ε ε+ +
−
→ →
−
= −
∫ ∫ ∫
b
b
a
a b a
du
f x dx f x dx f b
u u
( ) ( )
1
11
0
= lim
b ab a
g u du g u duε
ε +
+∞
→
−
−
=∫ ∫
với ( ) 2
1f b
ug u
u
−
=
a) Định lý 1: Cho f , g xác định trên [a, +∞ ] khả tích trên [a, b],
∀b ≥ a. Giả sử 0 ≤ f(x) ≤ g(x), ∀x ∈ [a, +∞), ta có:
i) Nếu ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ thì ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ
ii) Nếu ( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kỳ thì ( )
a
g x dx
+∞
∫ phân kỳ
Chứng minh:
∀x ∈ [a, +∞) ta có
/
( )
∫
x
a
f x dx = f(x) ≥ 0 và
/
( )
∫
x
a
g x dx = g(x) ≥ 0
⇒ ( )
x
a
f x dx∫ và ( )
x
a
g x dx∫ là 2 hàm tăng trên [a, +∞)
i) Giả sử ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ ⇒ lim ( )
x
x
a
g x dx
→+∞ ∫ = M (hữu hạn)
⇒ ∀x∈[a, +∞) : ( )
x
a
f x dx∫ ≤ ( )
x
a
g x dx∫ ≤ M
Toán cao cấp : Giải tích 148
( )
x
a
f x dx∫ tăng và bị chặn trên trên [a, +∞)
⇒ lim ( )
x
x
a
f x dx
→+∞ ∫ tồn tại hữu hạn ⇒ ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ.
ii) Giả sử ( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kỳ ⇒ lim ( )
x
x
a
f x dx
→+∞ ∫ = +∞
⇒ ∀M, ∃x1 ∈ [a, +∞) sao cho x > x1
Ta có ( )
x
a
f x dx∫ > M ⇒ ∀M, ∃x1 ∈ [a, +∞) sao cho x > x1
Ta có ( ) ( )
x x
a a
g x dx f x dx≥∫ ∫ > M
⇒ lim ( )
x
x
a
g x dx
→+∞ ∫ = +∞ ⇒ ( )
x
a
g x dx∫ : phân kỳ
b) Định lý 2: Cho f, g là 2 hàm xác định, dương trên [a, +∞). Giả
sử f, g khả tích trên [a, x], ∀x ≥ a và ( )lim
( )x
f x
g x→+∞
= k. Khi đó:
i) Nếu 0 < k < +∞ thì ta có: ( )
a
f x dx
+∞
∫ & ( )
a
g x dx
+∞
∫ cùng bản chất
(cùng hội tụ hoặc cùng phân kỳ)
ii) Nếu k = 0 và ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ thì ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ
iii) Nếu k = 0 và ( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kì thì ( )
a
g x dx
+∞
∫ phân kì
iv) Nếu k = +∞ và ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ thì ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ
Toán cao cấp : Giải tích 149
v) Nếu k = +∞ và ( )
a
g x dx
+∞
∫ phân kì thì ( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kì
Chứng minh: Ta chỉ chứng minh trường hợp i)
i) Giả sử 0 < k <+∞.
Vì ( )lim
( )x
f x
g x→+∞
= k, nên ∀ε > 0, ∃x1 sao cho x > x1
Ta có : ( )
( )
f x
k
g x
− < ε ⇔ k - ε < ( )
( )
f x
g x
< k + ε
Do đó, với ε =
2
k > 0, ∃x2 khá lớn sao cho x > x2, ta có :
2
k = k -
2
k < ( )
( )
f x
g x
< k +
2
k = 3
2
k
⇔
2
k g(x)< f(x) < 3
2
k g(x) (1)
( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ ⇒ ( )2
a
k
g x dx
+∞
∫ hội tụ ⇒ ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ
( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kỳ ⇒
3 ( )
2
a
k
g x dx
+∞
∫ phân kỳ ⇒ ( )
a
g x dx
+∞
∫ phân kỳ
Tươngtự: ( )
a
g x dx
+∞
∫ hội tụ ⇒ ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ
( )
a
g x dx
+∞
∫ phân kì ⇒ ( )
a
f x dx
+∞
∫ phân kỳ
Nhận xét:
+ Định lý 1 chỉ áp dụng khi f, g không âm trên [a, +∞)
+ Định lý 2 chỉ áp dụng khi f, g dương trên [a, +∞)
+ Tích phân ( )
A
f x dx
+∞
∫ cùng bản chất với ( )a f x dx
+∞
∫ với mọi A
thỏa a A≤ < +∞
c) Định lý 3:
Toán cao cấp : Giải tích 150
Nếu tích phân ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ thì ( )
a
f x dx
+∞
∫ cũng hội tụ.
Định nghĩa:
i) Nếu ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ, ta nói ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ tuyệt đối.
ii) Nếu ( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ nhưng ( )
a
f x dx
+∞
∫ không hội tụ, ta nói
( )
a
f x dx
+∞
∫ hội tụ không tuyệt đối, hay bán hội tụ.
Ví dụ 1:
Khảo sát sự hội tụ của
33 5
1 1 1
xdx
x x
+∞
+ +
∫
Nhắc lại:
1
dx
xα
+∞
∫ hội tụ khi α > 1, phân kỳ khi α ≤ 1
∀x ≥ 1, ta có:
33 51 1
x
x x+ +
≤ 53
32
x
x x
= 13
6
1
x
Mà tích phân 13
1 6
dx
x
+∞
∫ hội tụ (vì α =
13
6
> 1)
⇒
33 5
1 1 1
xdx
x x
+∞
+ +
∫ hội tụ
Cách khác:
Ta có :
33 5
13
6
1 1lim 1x
x
x x
x
→+∞
+ + = 1 (0 < k = 1 < +∞)
Toán cao cấp : Giải tích 151
Do định lý 2 ta suy ra
33 5
1 1 1
xdx
x x
+∞
+ +
∫ hội tụ (vì 13
1 6
dx
x
+∞
∫ hội tụ)
Ví dụ 2:
Xét sự hội tụ của :
33
1
( 5)
1
x dx
x x
+∞ +
+
∫
Cách 1: ∀x ≥ 1, ta có:
33
5
1
x
x x
+
+
≥ 1
3 33
x
x x x+
= 1 3
3 22
x
x x
= 5
6
1
2x
Mà tích phân 5
1 62
dx
x
+∞
∫ phân kỳ (vì α =
5
6
< 1)
⇒
33
1
( 5)
1
x dx
x x
+∞ +
+
∫ phân kỳ
Cách 2:
Ta có
33
5
6
5
1lim 1x
x
x x
x
→+∞
+
+ = 1
⇒
33
1
( 5)
1
x
x x
+∞ +
+
∫ và 5
1 6
dx
x
+∞
∫ cùng bản chất
Ví dụ 3: Khảo sát sự hội tụ của 2
0
sin x dx
+∞
∫
Tích phân 2
0
sin x dx
+∞
∫ cùng bản chất với
2
2
sin x dx
pi
+∞
∫
Toán cao cấp : Giải tích 152
Ta có: 2
2
sin x dx
pi
+∞
∫ =
2
2
lim sin
b
b
x dx
pi
→+∞ ∫ =
2
2
sinlim
2
b
b
t
dt
tpi→+∞
∫
(t = x2 ⇒ x = t ⇒ dx =
2
dt
t
)
Đặt u = 1
2 t
⇒ du = - 3
2
1
4t
dt ; dv = sintdt, chọn v = - cost
⇒ I= 1lim cos
2
2
b
b
t
t
pi
→+∞
− - 3
2
2
coslim
4
b
b
tdt
tpi
→+∞ ∫ = - 3
2
2
cos
4
tdt
tpi
+∞
∫
Mà 3
2
cos
4
t
t
≤ 3
2
1
4t
và 3
2
2
1
4tpi
+∞
∫ dt hội tụ (α =
3
2
> 1)
⇒ 3
2
2
cos
4
t
dt
tpi
+∞
∫ hội tụ ⇒ 3
2
2
cos
4
t
dt
tpi
+∞
∫ hội tụ ⇒
2
0
sin x dx
+∞
∫ hội tụ.
Toán cao cấp : Giải tích 153
Chương VIII HÀM NHIỀU BIẾN
I Các khái niệm:
1. Định nghĩa: Cho D ⊂ nℝ , ánh xạ f : D → ℝ ,
(x1, ..., xn) ֏ u = f(x1, x2, ..., xn) được gọi là hàm n biến xác
định trên D.
Ví dụ : f(x, y, z) = x2 - 3xy + 5yz7 có MXĐ là 3ℝ
f(x, y, z) =
2 2
2
x xy y
xyz
+ − có MXĐ là 3ℝ \{(x, y, z)/xyz = 0}
2. Khoảng cách: Với x = (x1, x2, ..., xn), y = (y1, y2, ... , yn) ta
định nghĩa khoảng cách giữa x và y là
d(x, y) = 2
1
( )
n
i i
i
x y
=
−∑
3. Quả cầu mở, quả cầu đóng: với ( )1 2, ,..., nnM x x x= ∈ℝ và
0ε > , ta gọi:
( ) ( ){ }, / ,nB M y x yε ρ ε= ∈ <ℝ là quả cầu mở tâm M,
bán kính ε .
( ) ( ){ }, / ,nB M y x yε ρ ε= ∈ ≤ℝ là quả cầu đóng tâm
M, bán kính ε .
4. Tập mở , tập đóng: Tập nD ⊂ ℝ được gọi là tập mở nếu
với mọi ( )1 2, ,..., nM x x x D= ∈ , tồn tại quả cầu mở tâm M,
bán kính ε chứa trong D. Tập nD ⊂ ℝ được gọi là tập
đóng nếu phần bù \n Dℝ là tập mở.
Ví dụ:
{ }2 2 2( , ) / 4A x y x y= ∈ + <ℝ là tập mở trong 2ℝ
Toán cao cấp : Giải tích 154
{ }3 2 2 2( , , ) / 1B x y z x y z= ∈ + + ≤ℝ là tập đóng trong 3ℝ .
5. Điểm tụ: Cho tập D ⊂ ℝn , điểm M∈ D gọi là điểm tụ của
D nếu mọi tập mở V chứa M thì ta có D ∩ V \ { }M ≠ ∅
II. Giới hạn và liên tục:
1. Định nghĩa: Cho hàm số f xác định trên tập D ⊂ ℝn , giả
sử x0 = 0 0 01 2( , ,..., )nx x x ∈ D và x0 là điểm tụ của D. Số A
được gọi là giới hạn của f tại x0 nếu ∀ε > 0, ∃α > 0 sao
cho x ∈ D và 0 < d(x, x0) < α ⇒ |f(x) – A | < ε.
Ký hiệu:
0
lim ( )
x x
f x
→
= A , hay
0 0
1 2 1
1 2
( , ,..., ) ( ,..., )
lim ( , ,..., )
n n
n
x x x x x
f x x x
→
= A,
hay
0
1 1
0
2 2
0
1 2lim ( , ,..., )
n n
n
x x
x x
x x
f x x x A
→
→
→
=
⋯⋯⋯
hay f(x) → A khi x → x0
2. Định nghĩa: Cho hàm số f xác định trên tập D chứa x0. Ta
nói f liên tục tại x0 nếu
0
lim ( )
x x
f x
→
= f(x0)
• f liên tục trên D nếu f liên tục tại mọi x ∈ D.
Ghi chú: Sự liên quan giữa giới hạn hàm và giới hạn dãy tương
tự như hàm một biến.
Ví dụ:
( i ) f(x, y) = 3
5
x y
x y
−
+
có
0 0
lim(lim ( , ))
x y
f x y
→ →
= 3
và
0 0
1lim(lim ( , ))
5y x
f x y
→ →
= − nhưng
0
0
lim ( , )
x
y
f x y
→
→
không tồn tại vì
(xn, yn) =
1 1,
n n
→ (0, 0) và (x’n, y’n) =
2 1,
n n
→ (0, 0)
mà f(xn, yn) =
2
6
n
n
→
1
3
và f(x’n, y’n) =
5
7
n
n
→
5
7
Toán cao cấp : Giải tích 155
(ii) f(x,y) =
2 2
2 2 2( )
x y
x y x y+ −
có
0 0
lim lim ( , )
x y
f x y
→ →
=
0 0
lim lim ( , )
y x
f x y
→ →
= 0 nhưng
0
0
lim ( , )
x
y
f x y
→
→
không
tồn tại vì (xn, yn) =
1 1,
n n
→(0,0) và ( ),n nx y′ ′ = 1 1,
n n
−
→ (0, 0)
mà f(xn, yn) =
4
4
1
1
n
n
→ 1 và ( ),n nf x y′ ′ = 4
4 4
1
1 4
n
n n
+
→ 1
5
III. Đạo hàm riêng:
Định nghĩa: Giả sử u = f(x1, x2, ..., xn) xác định trên tập mở
D ⊂ nℝ và A(a1, a2, a3, ..., an) ∈ D. Nếu
1 2 1 2
0
( , ,..., ,..., ) ( , ,... )lim i n n
h
f a a a h a f a a a
h→
+ −
tồn tại hữu hạn thì giới hạn đó được gọi là đạo hàm riêng của hàm
u = f(x1, x2, ..., xn) tại A(a1, a2, ..., an) theo biến xi.
Ký hiệu:
i
f
x
∂
∂ (a1, a2, ..., an) hay i
u
x
∂
∂ (a1, a2, ..., an)
hay /
ix
u hay /
ix
f hay /iu hay
/
if
Nhận xét: Đạo hàm riêng theo biến xi thì riêng xi coi như biến số
và các xk với k ≠ i thì coi như hằng số.
Ví dụ: f(x, y, z) = xy3z6 + y2 + 5y4z3 + 8x5z, ta có:
f
x
∂
∂ = y
3z6 + 40x4z, f
y
∂
∂ = 3xy
2z6 + 2y + 20y3z3,
Toán cao cấp : Giải tích 156
f
z
∂
∂ = 6xy
3z5 + 15y4z2 + 8x5
IV. Đạo hàm của hàm hợp:
Cho x = (x1, x2, ..., xn) nU∈ ⊂ℝ ,U mở.
t = (t1, t2, ..., tm ) mV∈ ⊂ℝ , V mở
:f U → ℝ , : nkg V → ℝ , 1,k n∀ =
Giả sử ( )kg V U⊂ .
.Cho z = f(x1, x2, ..., xn) ; xk = gk(t1, t2, ..., tm), k = 1,n . Giả sử f có
các đạo hàm riêng theo biến xk , k = 1,n tại x ; gk có các đạo hàm
riêng theo biến ti, i = 1,m tại t. Khi đó, ta có:
i
z
t
∂
∂ (t) = ( ) ( )1
∂∂
∂ ∂
=
∑
n
k
k i
xf
x t
x tk
, i = 1,m
Ví dụ : z = f(x1, x2, x3) ; xk = gk(t1, t2, t3, t4), k = 1,2, 3
1
z
t
∂
∂ =
31 2
1 1 2 1 3 1
xx xz z z
x t x t x t
∂∂ ∂∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ +
31 2
2 1 2 2 2 3 2
∂∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂= + +
xx xz z z z
t x t x t x t
Tương tự cho
3
z
t
∂
∂ và 4
z
t
∂
∂ .
Ví dụ : f(x1, x2) = 2 31 2x x− ; x1 = 3t1 +
2
2t , x2 =
2 4
1 2t t+
1
f
t
∂
∂ =
1 2
1 1 2 1
x xf f
x t x t
∂ ∂∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂+ = 2x1(3) + ( )223x− (2t1)
( )22 2 41 2 1 1 218 6 6t t t t t= + − +
2
f
t
∂
∂ =
1 2
1 2 2 2
x xf f
x t x t
∂ ∂∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂+ = (2x1)(2 t2) + ( )223x− ( )324t
Toán cao cấp : Giải tích 157
= 4(3t1 + 22t )t2 − 12 ( )22 4 31 2 2t t t+
V. Vi phân: Hàm u = f(x1, x2, ..., xn) xác định trên tập mở D chứa
x = (x1, x2, ..., xn) được gọi là khả vi tại x = (x1, x2, ..., xn) nếu số
gia toàn phần của nó
( ) ( )1 1 2 2 3 3 1 2 3, , ,..., , , ,...,n n nu f x x x x x x x x f x x x x∆ = + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ −
có thể biểu diễn dưới dạng
∆u = A1∆x1 + A2∆x2 + ... + An∆xn + o(ρ)
với Ai không phụ thuộc vào ∆xi, ,i n∀ =1 và
0
( )lim o
ρ
ρ
ρ→
= 0,
trong đó 2 2 21 2 ... nx x xρ = ∆ + ∆ + + ∆ (ρ > 0)
• Nếu hàm u = f(x1, x2, ..., xn) khả vi tại x = (x1, x2, ..., xn) thì
∀i =1,n ta có ( )
i
u
x
x
∂
∂
tồn tại và ( )
i
u
x
x
∂
∂
= Ai
⇒ ∆u = 1 2
1 2
( ). ( ) ... ( )
n
n
u u u
x x x x x x
x x x
∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂∆ + ∆ + + ∆
+ o(ρ)
Ta gọi du(x) = 1 2
1 2
( ) ( ) ... ( )
n
n
u u u
x x x x x x
x x x
∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂∆ + ∆ + + ∆
là vi phân toàn phần của u = f(x1, x2, ..., xn) tại x = (x1, x2, ..., xn)
Khi iu x= ta có i idu dx x= = ∆ , nên ta viết :
du = 1 2
1 2
...
n
n
u u udx dx dx
x x x
∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂+ + +
Ví dụ:
u = 3x5 y - 2y3z2 + 6xyz
du =(15x4y+6yz)dx + (3x5-6y2z2 + 6xz)dy + (6xy- 4y3z)dz
Toán cao cấp : Giải tích 158
Định lý: Cho tập mở D n⊂ ℝ . Nếu 1,i n∀ = ,
i
u
x
∂
∂
tồn tại và liên tục
trên D chứa x = 1 2( , ,...., )nx x x thì u khả vi tại x = 1 2( , ,...., )nx x x .
Ghi chú: Có khi
i
u
x
∂
∂
(x) tồn tại 1,i n∀ = nhưng u không khả vi tại
x.
VI. Đạo hàm riêng cấp cao và vi phân cấp cao:
1. Định nghĩa: Cho x = (x1, x2, ..., xn) nU∈ ⊂ℝ , U mở. Giả sử
i
u
x
∂
∂
tồn tại và
i
u
x
∂
∂
có đạo hàm riêng theo biến xk tại x thì
( )
k i
u
x
x x
∂ ∂
∂ ∂
được gọi là đạo hàm riêng cấp 2 của u theo
biến xi , xk tại x và ta ký hiệu
2
( )
i k
u
x
x x
∂
∂ ∂
hay (2) ( )
i kx x
u x , hay / / ( )
i kx x
u x hay / / ( )iku x .
Nếu i ≠ k thì
2
( )
i k
u
x
x x
∂
∂ ∂
và
2
( )
i k
u
x
x x
∂
∂ ∂
được gọi là đạo hàm
hỗn hợp. Tương tự ta có các đạo hàm riêng cấp 3:
3 2 3 2
2 2
3 2 3 2
3 2
, ,
,
k k
i k i i k i k k i k
k i j k k i j
u u u u
x x x x x x x x x x
u u u u
x x x x x x x x x
∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂
= = ∂ ∂
∂ ∂
= = ∂ ∂ ∂
2. Định lý Schwarz: Cho u là hàm xác định trên tập mở D ⊂ ℝn .
Nếu u có các đạo hàm riêng
2
i k
u
x x
∂
∂ ∂
,
2∂
∂ ∂k i
u
x x
liên tục trên D
chứa (a1, a2, ..., an), , 1,i k n∀ = thì
Toán cao cấp : Giải tích 159
2
i k
u
x x
∂
∂ ∂
(a1, a2, ..., an) =
2∂
∂ ∂k i
u
x x
(a1, a2, ..., an)
Ghi chú: Do định lý Swcharz nên một số tác giả còn sử dụng ký
hiệu
2∂ ∂
∂ ∂
∂
= ∂ ∂ k i k i
u u
x x x x
Ví dụ: f(x, y, z) = x3y5z8 + x2y2 + y2z2
f
x
∂
∂
= 3x2y5z8+2xy2,
2
2
f
x
∂
∂
= 6xy5z8+2y2,
f
y
∂
∂
= 5x3y4z8 +2x2y+2yz2
2
2
f
y
∂
∂
= 20x3y3z8 + 2x2 +2z2,
2 2f f
x y y x
∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂=
= 15x2y4z8 + 4xy
Ví dụ: Cho f(x, y, z) = x2 + y3 + z4 - x6y8z5
Ta có:
f
x
∂
∂
= 2x - 6x5y8z5, f
y
∂
∂
= 3y2 - 8x6y7z5, f
z
∂
∂
= 4z3 - 5x6y8z4
2 f
x y
∂
∂ ∂
= 5 7 548x y z
y x
∂ ∂
∂ ∂
= −
,
2 f
y x
∂
∂ ∂
= 5 7 548x y z
x y
∂ ∂
∂ ∂
= −
=
2 f
x y
∂
∂ ∂
Tương tự ta có :
2 f
x z
∂
∂ ∂
=
2 f
z x
∂
∂ ∂
= -30x5y8z4 và
2 f
y z
∂
∂ ∂
=
2 f
z y
∂
∂ ∂
= -40x6y7z4
2
2
f
x
∂
∂
= f
x x
∂ ∂
∂ ∂
= 2 - 30x4y8z5
Toán cao cấp : Giải tích 160
2
2
f
y
∂
∂
= f
y y
∂ ∂
∂ ∂
= 6y - 56x6y6z5
2
2
f
z
∂
∂
= f
z z
∂ ∂
∂ ∂
= 12z2 - 20x6y8 z3
Ví dụ: Cho hàm số ( ) ( ) ( )
( ) ( )
2 2
2 2 , 0,0
,
0 , 0,0
−
≠ +=
=
x y
xy nếu x y
x yf x y
nếu x y
Chứng minh rằng ( ) ( )
2 2
0,0 0,0f f
x y y x
∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂≠
Ta có: ( ) ( ) ( ) ( )
2 2 2 2
22 2 2 2
4
, , , 0,0f x y x yx y y x y
x x y x y
∂ − = + ≠
∂ + +
.
Tại điểm (0,0) ta có: ( ) ( ) ( )
0
,0 0,0
0,0 lim 0
x
f x ff
x x∆ →
∆ −∂
= =
∂ ∆
suy ra ( ) ( ) ( )
' '2
0 0
0, 0,0
0,0 lim lim 1x x
y y
f y ff y
x y y y∆ → ∆ →
∆ −∂ −∆
= = = −
∂ ∂ ∆ ∆
Tương tự,
( ) ( ) ( )
' '2
0 0
,0 0,0
0,0 lim lim 1y y
x x
f x ff x
y x x x∆ → ∆ →
∆ −∂ ∆
= = =
∂ ∂ ∆ ∆
3. Vi phân cấp cao của hàm hai biến: Cho u = f(x,y) có các đạo
hàm riêng cấp n liên tục trên tập mở D 2⊂ ℝ chứa (x,y); ta có
vi phân cấp n của f tại (x,y) là:
0
( , )( , )
nn
n k n k k
n n k k
k
f x yd f x y C dx dy
x y
−
−
=
∂
=
∂ ∂∑
Khi n = 2 ta có:
2 2 2
2 2 2
2 2
( , ) ( , ) ( , )( , ) 2f x y f x y f x yd f x y dx dxdy dy
x x y y
∂ ∂ ∂
= + +
∂ ∂ ∂ ∂
Toán cao cấp : Giải tích 161
Khi n = 3 ta có :
3 3 3
3 3 2 2
3 2 2
( , ) ( , ) ( , )( , ) 3 3f x y f x y f x yd f x y dx dx dy dxdy
x x y x y
∂ ∂ ∂
= + +
∂ ∂ ∂ ∂ ∂
3
3
3
( , )f x y dy
y
∂
+
∂
Ví dụ: f(x,y)=x3y5
f
x
∂
∂
= 3x2y5, f
y
∂
∂
= 5x3y4 ;
2 2
5 3 3
2 26 ; 20
f f
xy x y
x y
∂ ∂
∂ ∂= =
2 f
x y
∂
∂ ∂
= 15x2y4 =
2 f
y x
∂
∂ ∂
2 5 2 2 4 3 3 2( , ) 6 2(15 ) 20d f x y xy dx x y dxdy x y dy= + +
6. Công thức Taylor cho hàm hai biến:
Cho D là tập mở trong 2ℝ , f : D →ℝ có các đạo hàm riêng
cấp n liên tục trên D. Với ( ),x y ∈D và ( ) 2, ∈ℝh k sao cho:
( ),x th y tk+ + ∈ D với mọi t ∈ [0,1]. Khi đó tồn tại θ∈(0,1)
sao cho:
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )
' ' 2 '' '' 2 ''
11
1
1 1
0
0
,
1
, ( , ) , 2 , ,
2!
1
.... ,
1 !
1
,
!
x y xx xy yy
nn
i n i i
n n i i
i
nn
i n i i
n n i i
i
f x h y k
f x y hf x y kf h f x y hkf x y k f x y
f
C h k x y
n x y
f
C h k x h y k
n x y
θ θ
−
−
− −
−
− −
=
−
−
=
+ +
= + + + + +
∂
+ +
− ∂ ∂
∂
+ + +
∂ ∂
∑
∑
Nhận xét: Nếu đặt ,= ∆ = ∆h x k y thì khai triển Taylor trong
lân cận của (x,y) là :
( ) ( ) ( )1
0
, , ,
! !
θ θ
−
=
+ ∆ + ∆ = + + ∆ + ∆∑
i nn
i
d f d f
f x x y y x y x x y y
i n
Toán cao cấp : Giải tích 162
Ví dụ: Khai triển Taylor hàm số ( ), = xf x y y trong lân cận của
điểm ( )1,1 đến bậc 2 và tính gần đúng giá trị biểu thức
1,001(1,02)
Ta có:
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
' '
' 1 '
'' 2 ''
'' 1 ''
'' 2 ''
1,1 1
, ln 1,1 0
, 1,1 1
, ln 1,1 0
, ln 1 1,1 1
, 1 1,1 0
−
−
−
=
= ⇒ =
= =
= =
= + =
= − =
x
x x
x
y y
x
xx xx
x
xy xy
x
yy yy
f
f x y y y f
f x y xy f
f x y y y f
f x y y x y f
f x y x x y f
Vậy ta có:
( ) ( ) ( ) ( )( )
( ) ( )
3
2 2
2
2 2
1
1
11 1 1 ( 1) , 1 1 ,1 1
3!
lim 0
1 1
θ θ
→
→
= + − + − − + = + − + −
=
− + −
x
x
y
y y x y R với R d f x y
R
thỏa
x y
Suy ra 1,001(1,02) 1 0, 2 0,01.0, 2 1, 202≈ + + =
VI. Cực trị hàm nhiều biến:
1. Định nghĩa: Cho hàm số f(x) = f(x1, x2, ..., xn) xác định trên
D ⊂ nℝ và a = (a1, a2, ..., an) ∈ D. Ta nói f đạt cực đại (cực tiểu)
địa phương tại a nếu tồn tại tập S = {x ∈ D/ ρ(x, a) < α} sao cho
f(a) ≥ f(x) (hoặc f(a) ≤ f(x)), ∀ x ∈ S.
Cực đại địa phương hay cực tiểu địa phương gọi chung là cực trị
địa phương.
2. Định lý(Điều kiện cần) Cho hàm số f(x1, x2, ..., xn) xác định
trên tập mở D chứa x0. Nếu hàm số f(x1, x2, ..., xn) có cực trị
địa phương tại x0 = 0 0 01 2( , ,..., )nx x x và giả sử các đạo hàm
Toán cao cấp : Giải tích 163
riêng cấp một
i
f
x
∂
∂
(x0) tồn tại ∀i =1,n thì
i
f
x
∂
∂
(x0) = 0, ∀i
=1,n . Những điểm x0 = 0 0 01 2( , ,..., )nx x x thỏa điều kiện
i
f
x
∂
∂
(x0)
= 0, ∀i =1,n được gọi là những điểm dừng. Những điểm dừng
là những điểm có thể đạt cực trị.
Ghi chú: Định lý trên chỉ là điều kiện cần. Có khi các đạo hàm
riêng tại ( ), ,..., nx x x x= 0 0 00 1 2 của f không tồn tại nhưng f vẫn có thể
đạt cực trị tại x
0
.
Ví dụ: ( ),f x y x y= +2 2 . Ta có: ( ) ( ), , ,f f
x y
∂ ∂
∂ ∂
0 0 0 0 không tồn tại
nhưng f đạt cực tiểu tại ( ),0 0 .
3. Dạng toàn phương xác định dấu:
Hàm A(h1, h2,.., hn) =
, 1
n
ij i j
i j
a h h
=
∑ (* ) của các biến h1, h2, ..., hn
được gọi là dạng toàn phương, các số aij được gọi là hệ số của
dạng toàn phương.
• Dạng toàn phương (* ) được gọi là xác định dương (hoặc
xác định âm) nếu ∀h1, h2, ..., hn thỏa 2
1
n
i
i
h
=
∑ > 0 thì (* ) có
giá trị dương (hoặc âm).
• Dạng toàn phương xác định dương hay xác định âm gọi
chung là dạng xác định dấu.
4. Định lý: Xét dạng toàn phương A(h1, h2,.., hn) =
, 1
n
ij i j
i j
a h h
=
∑ (* )
Toán cao cấp : Giải tích 164
i) (*) là dạng toàn phương xác định dương ⇔ a11 > 0,
11 12
21 22
a a
a a
> 0,
11 12 13
21 22 23
31 32 33
a a a
a a a
a a a
> 0, ... ,
11 12 1
21 22 2
1 2
...
...
...
...
n
n
n n nn
a a a
a a a
a a a
> 0
ii) (*) là dạng toàn phương xác định âm ⇔ a11 < 0,
11 12
21 22
a a
a a
>0,
11 12 13
21 22 23
31 32 33
a a a
a a a
a a a
< 0, , (-1)n
11 12 1
21 22 2
1 2
...
...
...
...
n
n
n n nn
a a a
a a a
a a a
>0
5. Điều kiện đủ của cực trị địa phương: Giả sử ∀ , ,i j n=1 ;
2∂
∂ ∂i j
f
x x
tồn tại và liên tục trong lân cận của điểm dừng x0
= 0 0 0
1 2( , ,..., )nx x x . Nếu d2f(x0) =
2
, 1
∂
∂ ∂
=
∑
n
i j i j
f
x x
dxidxj là dạng toàn
phương xác định dấu của các biến dx1, dx2, ..., dxn thì f đạt cực
trị địa phương tại x0.
Khi đó nếu d2f(x0) 0 thì
f đạt cực tiểu tại x0.
6. Cực trị hàm 2 biến:
Giả sử
2
2
f
x
∂
∂
,
2
2
f
y
∂
∂
,
2 f
x y
∂
∂ ∂
tồn tại và liên tục tại M0(x0, y0).
Giả sử ∂
∂
f
x
(x0, y0) = f
y
∂
∂
(x0, y0) = 0 (M0 là điểm dừng)
Đặt a11 =
2
2
f
x
∂
∂
(x0, y0) , a12 =
2 f
x y
∂
∂ ∂
(x0, y0), a21 =
2 f
y x
∂
∂ ∂
(x0, y0),
Toán cao cấp : Giải tích 165
a22 =
2
2
f
y
∂
∂
và ∆(M0) = 11 12
21 22
a a
a a
= a11a22 - (a12)2 (vì a12 = a21)
Ta có:
i) Nếu ∆(M0) < 0 thì f(x, y) không đạt cực trị tại (x0, y0)
ii) 11
0
0
( ) 0
a
M
>
∆ >
thì f đạt cực tiểu tại (x0, y0)
iii) Nếu 11
0
0
( ) 0
a
M
<
∆ >
(a22 < 0) thì f đạt cực đại tại (x0, y0)
Nhận xét:
• Khi ∆(M0) > 0 thì a11 và a22 cùng dấu.
• Khi ∆(M0) = 0 thì không có kết luận tổng quát.
Ví dụ: Tìm cực trị (nếu có) của u = f(x, y) với f(x, y) là
i) x2 + y2 + 2x - 6y – 3. ii) x3 + y2 + 12xy + 1
iii) x + 1
4
+
y
x y
+ 2. iv) 3 - 2 2x y+
v) xy
2 2
1
4 9
x y
− −
vi) 2x4 + y4 - x2 - 2y2 + 6
vii) x4 + y4 - x2 - y2 - 2xy + 5
Giải
i) u’x = u
x
∂
∂
= 2x + 2, u’y = 2y - 6.
Tìm điểm dừng
'
'
0
0
x
y
u
u
=
=
⇔ 1
3
x
y
= −
=
a11 = ''xxu = 2
'
x
u =
2
2
u
x
∂
∂
(-1, 3) = 2, 2''yu =
2
2
u
y
∂
∂
(-1, 3) = 2
a12 =
2 f
x y
∂
∂ ∂
(-1, 3) =
2 f
y x
∂
∂ ∂
(-1, 3) = 0
Toán cao cấp : Giải tích 166
⇒ ∆(-1, 3) = 2 0
0 2
= 4 > 0 và a11 > 0
⇒ Hàm đạt cực tiểu tại (-1, 3) và UCT = -13
ii) u’x = 3x2 + 12y, u’y = 2y + 12x,
'
'
0
0
x
y
u
u
=
=
⇔ 0
0
x
y
=
=
∨ 24
144
x
y
=
= −
2
''
x
u = 6x, 2''yu = 2,
''
xyu = 12
∆(0, 0) = 0 12
12 2
= -144 < 0 ⇒ hàm không đạt cực trị tại (0, 0)
∆(24, -144) = 144 12
12 2
= 144 > 0 và a11 = 144 > 0
⇒ hàm đạt cực tiểu tại (24, -144)
Bạn đọc tự giải các ví dụ còn lại.
7. Định lý: Giả sử
2
i j
f
x x
∂
∂ ∂
tồn tại và liên tục tại điểm dừng
x0 ( ), ,.., nx x x= 0 0 01 2 ∀i, j =1,n .
Đặt aij = ( )
2
0
∂
∂ ∂i j
f
x
x x
; Hk =
11 12 1k
21 22 2k
1 k2 kk
a ...a
a ...a
...
a ...ak
a
a
a
, k =1,n .
Ta có :
i) Nếu Hk > 0, ∀k =1,n ⇒ f đạt cực tiểu tại x0
ii) Nếu (−1)k Hk > 0, ∀k =1,n ⇒ f đạt cực đại tại x0
iii) Nếu ∃ k ∈ {1, 2, ..., n −2} sao cho : Hk. Hk+2 < 0 ⇒ f không
đạt cực trị tại x0.
iv) Nếu ∃k sao cho H2k < 0 ⇒ f không đạt cực trị tại x0.
Trường hợp riêng khi n = 3 ta có :
Toán cao cấp : Giải tích 167
+ H1, H2, H3 > 0 ⇒ f đạt cực tiểu.
+ H1 0, H3 < 0 ⇒ f đạt cực đại.
+ H2 < 0 ⇒ f không đạt cực trị.
+ H1. H3 < 0 ⇒ f không đạt cực trị.
Ví dụ: 2 1( , , )
2
= + + +
y zf x y z x
x y z
2
21f y
x x
∂
∂ = −
,
2
2
2
f z
y x y
∂
∂ = −
,
2
1 1
2
f
z y z
∂
∂ = −
2
2 3
4f y
x x
∂
∂ =
,
2
2 3
f z
y y
∂
∂ =
,
2
2 3
2∂
∂ =
f
z z
2 2
2
2f f
x y y x x
∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂
−
= = ,
2 2
2
1
2
∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂
−
= =
f f
y z z y y
2 2
0f f
x z z x
∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂= =
,
Tìm điểm dừng:
2 2
2 2
2
22 2 2
2 4
0
0 0
2
0
24
2 4( )0
2
xzf
xyz x zx
y xf xy
y xz y
xf y z x
z
x x
∂
∂
∂
∂
∂
∂
>
= ≠ =
=
= ⇔ ⇔ =
=
= ==
=
⇔
2 2
2
1
2
0
x z
xy
xz
= =
=
>
⇔
1
1
2
x z
y
= =
=
hay
1
1
2
= = −
=
x z
y
⇒ Có 2 điểm dừng là M1 (1, 1/2, 1), M2 (−1, 1/ 2, −1)
Toán cao cấp : Giải tích 168
+ Xét tại M1 (1, 1/2, 1)
a11 =
2
2
f
x
∂
∂
(M1) = 2; a22 = 8, a33 = 2;
a12 = a21 =
2 f
x y
∂
∂ ∂
(M1) = −2;
a13 = a31 = 0; a23 = a32 =
2 f
y z
∂
∂ ∂
(M1) = −2
H =
2 -2 0
-2 8 -2
0 -2 -2
, H1 = 2, H2 =
2 -2
-2 8
= 12 và
H3 =
2 -2 0
-2 8 -2
0 -2 2
=
2 -2 0
0 6 -2
0 -2 2
= 2 6 -2
-2 2
= 16
⇒ f đạt cực tiểu tại M1 (1,
1
2
, 1)
+ Xét tại M2 (−1,
1
2
, −1)
a11 = −2, a22 = −8, a33 = −2, a12 = −2,
a13 = 0, a23 = −2. H1 = −2 < 0, H2 =
-2 -2
-2 -8
= 12 > 0 và
H3 =
-2 -2 0
-2 - 8 -2
0 -2 - 2
=
-2 -2 0
0 -6 -2
0 -2 -2
= −2 -6 -2
-2 -2
= −16 < 0
⇒ f đạt cực đại tại M2 (−1, 1/ 2, −1)
8. Cực trị có điều kiện:
Bài toán: Tìm cực trị của hàm z = f (x1, x2, ..., xn) thỏa m điều
kiện (với m < n):
Toán cao cấp : Giải tích 169
(I)
1 1 2
2 1 2
m 1 2
g ( , ,..., ) 0 (1)
g ( , ,..., ) 0 (2)
...
g ( , ,..., ) 0 ( )
=
=
=
n
n
n
x x x
x x x
x x x m
• Cách 1 : Giả sử m < n và ta có
1 1 2 1 1 1 2
2 1 2 2 2 1 2
m 1 2 1 2
g ( , ,..., ) 0 ( , ,..., )
g ( , ,..., ) 0 ( , ,..., )
... ...
g ( , ,..., ) 0 ( , ,..., )
+ +
+ +
+ +
= =
= =
⇔
= =
n m m n
n m m n
n m m m m n
x x x x h x x x
x x x x h x x x
x x x x h x x x
⇒ z = f (xm+1, xm+2, ..., xn) là hàm có n − m biến. Khi đó ta
tìm cực trị không điều kiện của hàm n-m biến.
Ví dụ: Tìm cực trị của : f(x1, x2 , x3, x4 ) = 2x1 + 3 22 3 45 3x x x+ − thỏa
điều kiện:
(*) 1 2 3 4
1 2 3 4
3
5 3 1
x x x x
x x x x
− + − =
+ − + =
(m = 2, n = 4)
Ta có (*) 1 3 4
2 3 4
2 2
1 3 2
x x x
x x x
= + −
⇔
= − + −
Thế vào biểu thức của hàm f ta có
f(x1, x2 , x3, x4 ) = 2x1 + 3 22 3 45 3x x x+ −
( )3 23 4 3 4 3 42(2 2 ) 1 3 2 5 3x x x x x x= + − + − + − + − = F (x3, x4 )
• Cách 2:
Đặt φ (x1, x2, ..., xn, λ1, ..., λm ) = f(x) +
1
( )λ
=
∑
m
j j
j
g x
với ( ),..., nx x x= 1 . Hàm φ được gọi là hàm phụ Lagrange.
Toán cao cấp : Giải tích 170
Định lý (Điều kiện cần) Giả sử f, g1, g2, ..., gm có các đạo hàm
riêng cấp 1 tại nx ( x , x , x ,..., x )= 0 0 0 00 1 2 3 và f đạt cực trị tại 0x . Khi
đó ∃ , ,..., mλ λ λ0 0 01 2 sao cho 0( )∂φ∂λ j
x = gj( 0x ) = 0,∀j =1,m
và 0 0 0 0 0 01 2 1 2( , ,.... , , ,..., ) 0
∂φ λ λ λ∂ =n mk
x x x
x
, ∀k =1,n .
Do đó để tìm cực trị có điều kiện, ta giải hệ phương trình:
0, 1,
0, 1,
i
k
j m
k n
x
∂φ
∂λ
∂φ
∂
= =
= =
Nếu 0 0 0 0 0 0
1 2 1 2( , ,..., , , ,..., )λ λ λn mx x x là nghiệm của hệ trên thì
0x = 0 0 01 2( , ,..., )nx x x được gọi là điểm dừng. , ,..., mλ λ λ0 0 01 2 được gọi
là các nhân tử Lagrange.
Định lý: (Điều kiện đủ)
Giả sử điều kiện cần của định lý trên được thỏa và
2
i j
f
x x
∂
∂ ∂
tồn tại,
liên tục tại điểm dừng 0x ứng với λ0 = ( ), ,..., mλ λ λ0 0 01 2 .
Đặt aij =
2
0 0( , )∂ φ λ
∂ ∂i j
x
x x
, bij =
2
0 0( ) ( )=j
i i j
g
x x
x x
∂ ∂ φ
∂ ∂ ∂λ
Toán cao cấp : Giải tích 171
Hk =
11 12 1 11 12 1
21 22 2 21 22 2
1 2 1 2
11 21 1
12 22 2
1 2
... ...
... ...
...
... ......
; 1, 2, ...,
... 0 0 ... 0
... 0 0 ... 0
...
... 0 0 ... 0
=
k m
k m
k k kk k k k m
k
k
m m k m
a a a b b b
a a a b b b
a a a b b b
k n
b b b
b b b
b b b
b nH H=
Ta có:
i) Nếu (-1)m Hk > 0, ∀k = 1,m n+ ⇒ f đạt cực tiểu thỏa điều kiện
(I) tại x
0
ii) Nếu (-1)k Hk > 0, ∀k = 1,m n+ ⇒ f đạt cực đại thỏa điều kiện
(I) tại x
0
.
Ví dụ 1: n = 4, m = 1
H2 =
11 12
1
21 22
2
1 2
0
g
a a
x
g
a a
x
g g
x x
∂
∂
∂
∂
∂ ∂
∂ ∂
; H3 =
11 12 13
1
21 22 23
2
31 32 33
3
1 2 3
0
g
a a a
x
g
a a a
x
g
a a a
x
g g g
x x x
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂
Toán cao cấp : Giải tích 172
H4 =
11 12 13 14
1
21 22 23 2 4
2
31 32 33 34
3
41 42 43 4 4
4
1 2 3 4
0
g
a a a a
x
g
a a a a
x
g
a a a a
x
g
a a a a
x
g g g g
x x x x
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂
Ta có :
i) H2 < 0, H3 < 0, H4 < 0 ⇒ f đạt cực tiểu (vì m = 1 ⇒ (-1)m < 0)
ii) H2 > 0, H3 0 ⇒ f đạt cực đại.
Ví dụ 2: n = 3, m = 1. Ta có :
i) H2 < 0, H3 < 0 ⇒ f đạt cực tiểu
ii) H2 > 0, H3 < 0 ⇒ f đạt cực đại.
Ví dụ 3: n = 4, m = 2. Ta có :
i) H3, H4 > 0 ⇒ cực tiểu
ii) H3 0 ⇒ cực đại
Ví dụ 4: Tìm cực trị của : f(x, y, z, t) = x + y + z + t với điều kiện :
g (x, y, z, t) = 81 - xyzt = 0 (ta có m = 1, n = 4)
Cách 1 : t = 81
xyz
⇒ f(x, y, z, t) = F (x, y, z) = x + y + z + 81
xyz
∂
∂
F
x
= 1 -
2
81
x yz
, ∂
∂
F
y
= 1 -
2
81
xy z
, ∂
∂
F
z
= 1 -
2
81
xyz
,
Toán cao cấp : Giải tích 173
2
2
∂
∂
F
x
=
3
162
x yz
,
2
2
∂
∂
F
y
=
3
162
xy z
,
2
2
∂
∂
F
z
=
3
162
xyz
2∂
∂ ∂
F
x y
=
2 2
81
x y z
,
2∂
∂ ∂
F
y z
=
2 2
81
xy z
,
2∂
∂ ∂
F
x z
=
2 2
81
x yz
0
0
0
∂
∂
∂
∂
∂
∂
=
=
=
F
x
F
y
F
z
⇔
2
2
2
81
81
81
x yz
xy z
xyz
=
=
=
⇔
4 81
x y z
x
= =
=
⇔ x = y = z = 3 ∨ x = y = z = -3
Xét tại M1(3, 3, 3), a11 = a22 = a33 = 162 2
81.3 3
=
a12 = a21 = a13 = a31 = a23 = a32 = 1
3
H3 =
2 1 1
3 3 3 2 1 1
1 2 1 1 4
1 2 1
3 3 3 27 27
1 1 21 1 2
3 3 3
= =
H2 =
2 1
2 11 13 3
1 2 1 29 3
3 3
= = ,
H1 = 2
3
H1, H2, H3 > 0 ⇒ F đạt cực tiểu tại M1 (3, 3, 3)
⇒ t = 81
xyz
⇒ t = 3 ⇒ f đạt cực tiểu thỏa điều kiện
Toán cao cấp : Giải tích 174
g(x, y, z, t) = 0 tại M’1 (3, 3, 3, 3)
Xét tại M2 (-3,-3, -3)
Ta có : a11 = a22 = a33 = 2
3
−
; a12 = a13 = a23 = 1
3
−
⇒ H3 =
2 1 1
1 1 2 1
27
1 1 2
−
= 4
27
−
; H2 =
2 11
1 29
= 1
3
; H1 = 2
3
−
H1 0, H3 < 0 ⇒ f đạt cực đại thỏa điều kiện
g(x, y, z, t) = 0 tại 2M ′ (-3, -3, -3, -3)
Cách 2 : Đặt φ(x, y, z, t, λ) = x + y + z + t + λ(81 - xyzt)
Điểm dừng là nghiệm của :
81 0
1 0; 1 0
1 0; 1 0
= − =
= − = = − =
= − = = − =
xyzt
yzt xzt
x y
xyt xyz
z t
∂φ
∂λ
∂φ ∂φλ λ∂ ∂
∂φ ∂φλ λ∂ ∂
⇔
3
1
27
x y z t
λ
= = = =
=
hay
3
1
27
x y z t
λ
= = = = −
= −
g
x
∂
∂
= -yzt, g
y
∂
∂
= -xzt, g
z
∂
∂
= -xyt, g
t
∂
∂
= -xyz
2 2 2 2
2 2 2 2 0
∂ φ ∂ φ ∂ φ ∂ φ
∂ ∂ ∂ ∂= = = =x y z t
,
2
x y
∂ φ
∂ ∂
= -λzt,
2
y z
∂ φ
∂ ∂
= -λxt,
2
x z
∂ φ
∂ ∂
= -λyt,
2
z t
∂ φ
∂ ∂
= -λxy,
2 2
;
∂ φ ∂ φλ λ∂ ∂ ∂ ∂= − = −yz xzx t y t
Toán cao cấp : Giải tích 175
Xét tại M1 = (3, 3, 3, 3) với λ1 = 1
27
1 1 1 1( ) ( ) ( ) ( )
∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂ ∂= = =
g g g gM M M M
x y z t
= -27
a11 = a22 = a33 = a44 = 0, a12 = a21 = a13 = a31= a14 = a41= a23 = a32 =
a24 = a42 = a34 = a43 = - 1
27
. 3. 3 = - 1
3
⇒ Hb =
1 1 10 27
3 3 3
1 1 10 27
3 3 3
1 1 10 27
3 3 3
1 1 1 0 27
3 3 3
27 27 27 27 0
− − − −
− − − −
− − − −
− − − −
− − − −
H2 =
10 27
3
1 0 27
3
27 27 0
− −
− −
− −
= -2.35
H3 =
1 10 27
3 3
1 10 27
3 3
1 1 0 27
3 3
27 27 27 0
− − −
− − −
− − −
− − −
= -35
Toán cao cấp : Giải tích 176
H4 =
1 1 10 27
3 3 3
1 1 10 27
3 3 3
1 1 10 27
3 3 3
1 1 1 0 27
3 3 3
27 27 27 27 0
− − − −
− − − −
− − − −
− − − −
− − − −
= -4.33
Ta có : (-1)mHk = -Hk > 0, ∀k = 2,4 ⇒ f đạt cực tiểu thỏa điều
kiện
g(x, y, z, t) = 0 tại 1M (3, 3, 3, 3).
Xét tại M2(-3, -3, -3, -3) với λ2 = 1
27
−
. Tương tự, ta có:
H2 = 2.35, H3 = -35, H4 = 4.33
⇒ (-1)kHk > 0, ∀k = 2,4⇒ f đạt cực đại thỏa điều kiện
g(x, y, z, t) = 0 tại M2(-3, -3, -3, -3)
Chú ý: A , B là 2 ma trận vuông cấp n và B = - A thì
detB = (- 1) n detA
Ví dụ: Tìm cực trị của hàm f(x, y, z) = 2x + y + 3z thỏa điều kiện:
x2+ 4y2 + 2z2 = 35 (1)
Cách 1: Dùng bất đẳng thức BCS.
Cách 2: Đặt g(x, y, z) = x2+ 4y2 + 2z2 – 35.
Đặt F(x, y, z, λ) = f + λg = 2x + y + 3z + λ( x2+ 4y2 + 2z2 – 35)
2 2F x
x
λ∂ = +
∂
; 1 8F y
y
λ∂ = +
∂
Toán cao cấp : Giải tích 177
3 4F z
z
λ∂ = +
∂
; 2 2 24 2 35F g x y zλ
∂
= = + + −
∂
2
2 2
F
x
λ∂ =
∂
;
2
2 8
F
y
λ∂ =
∂
;
2
2 4
F
z
λ∂ =
∂
;
2
2 0
F
λ
∂
=
∂
2F
x y
∂
=
∂ ∂
2F
x z
∂
∂ ∂
=
2
0F
y z
∂
=
∂ ∂
;
2
2F g x
x xλ
∂ ∂
= =
∂ ∂ ∂
;
2
8F g y
y yλ
∂ ∂
= =
∂ ∂ ∂
;
2
4F g z
z zλ
∂ ∂
= =
∂ ∂ ∂
Điều kiện cần để F đạt cực trị tại (x, y, z, λ) là:
2 2 24 2 35 0
2 2 0
1 8 0
3 4 0
F g x y z
F
x
x
F y
y
F
z
z
∂
∂λ
∂ λ∂
∂ λ∂
∂ λ∂
= = + + − =
= + =
= + =
= + =
⇔
2 2 2
1 8
1
8
3 6
4
64 4 2.36 35 0
x y
y
z y
y y y
λ
λ
λ
−
= =
−
=
−
= =
+ + − =
⇔
4 4
1 1
2 2
3 3
1 1
4 4
x x
y y
hay
z z
λ λ
= = −
= = −
= = −
−
= =
i) Xét tại (x, y, z, λ) = 1 14; ;3;
2 4
−
Toán cao cấp : Giải tích 178
1 1 1(4; ;3) 8; (4; ;3) 4; (4; ;3) 12
2 2 2
∂ ∂ ∂
= = =
∂ ∂ ∂
g g g
x y z
;
2
11 2
1 1 1(4; ;3; )
2 4 2
F
a
x
∂ − −
= =
∂
;
2
22 2
1 1(4; ;3; ) 2
2 4
F
a
y
∂ −
= = −
∂
;
2
33 2
1 1(4; ;3; ) 1
2 4
F
a
z
∂ −
= = −
∂
;a12 = a21 = a31 = a13 = a23 = a32 = 0
Hb =
1 0 0 8
2
0 2 0 4
0 0 1 12
8 4 12 0
−
−
−
H1 = - 64 ; 2
1 0 8
2
0 2 4
8 4 0
−
= − >H 0
3
1 0 0 8
2
0 2 0 4 0
0 0 1 12
8 4 12 0
−
−= <
−
H
⇒ (-1)kHk > 0, ∀k = 1,3⇒ f đạt cực đại thỏa điều kiện:
x2+ 4y2 + 2z2 = 35 tại 14; ;3
2
ii) Tương tự xét tại (x, y, z, λ) = 1 14; ; 3;
2 4
−
− −
ta có : (-1)mHk = -Hk > 0, ∀k =1,3
⇒ f đạt cực tiểu thỏa điều kiện:
x2+ 4y2 + 2z2 = 35 tại (x, y, z, λ) = 14; ; 3
2
−
− −
Ví dụ:
i) Tìm cực trị của u = x + y + z với điều kiện xyz = 125
ii) Tìm cực trị của u = f(x, y, ) = x + y với điều kiện
Toán cao cấp : Giải tích 179
x2+ 1
4
y2 + 2z2 = 1
iii) Tìm cực trị của u = f(x, y, z, t) = x + y + z + t
với điều kiện 16 - xyzt = 0.
Giải: Dành cho bạn đọc.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- toancaocap_p1.pdf