Chuyên đề Tính tích phân bằng phương pháp phân tích - Ðổi biến số và từng phần

CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 1 LỜI NÓI ðẦU Ngày nay phép tính vi tích phân chiếm một vị trí hết sức quan trọng trong Toán học, tích phân ñược ứng dụng rộng rãi như ñể tính diện tích hình phẳng, thể tích khối tròn xoay, nó còn là ñối tượng nghiên cứu của giải tích, là nền tảng cho lý thuyết hàm, lý thuyết phương trình vi phân, phương trình ñạo hàm riêng...Ngoài ra phép tính tích phân còn ñược ứng dụng rộng rãi trong Xác suất, Thống kê, Vật lý, Cơ học, Thiên văn học, y học... Phép tính tích phân ñược bắt ñầu giới thiệu cho các em học sinh ở lớp 12, tiếp theo ñược phổ biến trong tất cả các trường ðại học cho khối sinh viên năm thứ nhất và năm thứ hai trong chương trình học ðại cương. Hơn nữa trong các kỳ thi Tốt nghiệp THPT và kỳ thi Tuyển sinh ðại học phép tính tích phân hầu như luôn có trong các ñề thi môn Toán của khối A, khối B và cả khối D. Bên cạnh ñó, phép tính tích phân cũng là một trong những nội dung ñể thi tuyển sinh ñầu vào hệ Thạc sĩ và nghiên cứu sinh. Với tầm quan trọng của phép tính tích phân, chính vì thế mà tôi viết một số kinh nghiệm giảng dạy tính tích phân của khối 12 với chuyên ñề “TÍNH TÍCH PHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH - ðỔI BIẾN SỐ VÀ TỪNG PHẦN” ñể phần nào củng cố, nâng cao cho các em học sinh khối 12 ñể các em ñạt kết quả cao trong kỳ thi Tốt nghiệp THPT và kỳ thi Tuyển sinh ðại học và giúp cho các em có nền tảng trong những năm học ðại cương của ðại học. Trong phần nội dung chuyên ñề dưới ñây, tôi xin ñược nêu ra một số bài tập minh họa cơ bản tính tích phân chủ yếu áp dụng phương pháp phân tích, phương pháp ñổi biến số, phương pháp tích phân từng phần. Các bài tập ñề nghị là các ñề thi Tốt nghiệp THPT và ñề thi tuyển sinh ðại học Cao ñẳng của các năm ñể các em học sinh rèn luyện kỹ năng tính tích phân và phần cuối của chuyên ñề là một số câu hỏi trắc nghiệm tích phân. Tuy nhiên với kinh nghiệm còn hạn chế nên dù có nhiều cố gắng nhưng khi trình bày chuyên ñề này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong ñược sự góp ý chân tình của quý Thầy Cô trong Hội ñồng bộ môn Toán Sở Giáo dục và ðào tạo tỉnh ðồng Nai. Nhân dịp này tôi xin cảm ơn Ban lãnh ñạo nhà trường tạo ñiều kiện tốt cho tôi và cảm ơn quý thầy cô trong tổ Toán trường Nam Hà, các ñồng nghiệp, bạn bè ñã ñóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành chuyên ñề này. Tôi xin chân thành cám ơn./. CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 2 MỤC LỤC Lời nói ñầu 1 Mục lục 2 I. Nguyên hàm: I.1. ðịnh nghĩa nguyên hàm 3 I.2. ðịnh lý 3 I.3. Các tính chất của nguyên hàm 3 I.4. Bảng công thức nguyên hàm và một số công thức bổ sung 4 II. Tích phân: II.1. ðịnh nghĩa tích phân xác ñịnh 5 II.2. Các tính chất của tích phân 5 II.3 Tính tích phân bằng phương pháp phân tích 5 Bài tập ñề nghị 1 9 II.4 Tính tích phân bằng phương pháp ñổi biến số 10 II.4.1 Phương pháp ñổi biến số loại 1 10 ðịnh lý về phương pháp ñổi biến số loại 1 13 Một số dạng khác dùng phương pháp ñổi biến số loại 1 14 Bài tập ñề nghị số 2 14 Bài tập ñề nghị số 3 15 Bài tập ñề nghị số 4: Các ñề thi tuyển sinh ðại học Cao ñẳng 16 II.4.2 Phương pháp ñổi biến số loại 2 16 Bài tập ñề nghị số 5 21 Các ñề thi Tốt nghiệp trung học phổ thông 22 Các ñề thi tuyển sinh ðại học Cao ñẳng 22 II.5. Phương pháp tích phân từng phần 23 Bài tập ñề nghị số 6: Các ñề thi tuyển sinh ðại học Cao ñẳng 28 III. Kiểm tra kết quả của một bài giải tính tích phân bằng máy tính CASIO fx570-MS 29 Bài tập ñề nghị số 7: Các câu hỏi trắc nghiệm tích phân 30 Phụ lục 36 CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 3 I. NGUYÊN HÀM: I.1. ðỊNH NGHĨA NGUYÊN HÀM: Hàm số F(x) ñược gọi là nguyên hàm của hàm số f(x) trên (a;b) nếu với mọi x∈(a;b): F’(x) = f(x) VD1: a) Hàm số F(x) = x3 là nguyên hàm của hàm số f(x) = 3x2 trên R b) Hàm số F(x) = lnx là nguyên hàm của hàm số f(x) = 1 x trên (0;+∞) I.2. ðỊNH LÝ: Nếu F(x) là một nguyên hàm của hàm số f(x) trên (a;b) thì: a) Với mọi hằng số C, F(x) + C cũng là một nguyên hàm của f(x) trên khoảng ñó. b) Ngược lại, mọi nguyên hàm của hàm số f(x) trên khoảng (a;b) ñều có thể viết dưới dạng F(x) + C với C là một hằng số. Theo ñịnh lý trên, ñể tìm tất cả các nguyên hàm của hàm số f(x) thì chỉ cần tìm một nguyên hàm nào ñó của nó rồi cộng vào nó một hằng số C. Tập hợp các nguyên hàm của hàm số f(x) gọi là họ nguyên hàm của hàm số f(x) và ñược ký hiệu: ∫ f(x)dx (hay còn gọi là tích phân bất ñịnh) Vậy: ∫ f(x)dx = F(x)+C VD2: a) 22xdx = x + C∫ b) sinxdx = - cosx +C∫ c) 2 1 dx = tgx +C cos x∫ I.3. CÁC TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN HÀM: 1) ( )∫ f(x)dx f(x)' = 2) ( )≠∫ ∫= a 0a.f(x)dx a f(x)dx 3)   ∫ ∫ ∫= ±f(x)± g(x) dx f(x)dx g(x)dx 4) ( ) ( )⇒∫ ∫ =f(x)dx =F(x)+C f u(x) u'(x)dx F u(x) +C VD3: a) ( )∫ 4 2 5 3 2-6x + -2x + 4x5x 8x dx = x +C b) ( )∫ ∫ 2x6cosx.sinxdx = -6 cosx.d cosx = -3cos +C CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 4 I.4. BẢNG CÔNG THỨC NGUYÊN HÀM: BẢNG CÁC NGUYÊN HÀM CƠ BẢN NGUYÊN HÀM CÁC HÀM SƠ CẤP THƯỜNG GẶP NGUYÊN HÀM CÁC HÀM SỐ HỢP ( ) ( ) ( ) pi pi α α α ≠ α ≠ ≠ ≠ + ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ +1 x x x x 2 2 2 2 dx = x + C x x dx = + C ( -1) +1 dx = ln x + C (x 0) x e dx = e + C a a dx = + C 0 < a 1 lna cosx dx = sinx + C sinx dx = -cosx + C dx = 1+ tg x dx = tgx + C (x k ) cos x 2 dx = 1+ cotg x dx si 1/ 2/ 3/ 4/ 5/ 6/ 7/ 8/ x / n 9 pi≠∫ ∫ = -cotgx + C (x k ) ( ) ( ) pi pi α α α ≠ α ≠ ≠ ≠ + ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ +1 u u u u 2 2 2 du = u+C u u du = +C ( -1) +1 du = ln u +C (u = u(x) 0) u e du = e +C a a du = +C 0 < a 1 lna cosu du = sinu+C sinu du = - cosu+C du = 1+ tg u du = tgu+C (u k 1/ 2/ 3/ 4/ 5/ 6/ 7/ 8/ 9/ ) cos u 2 du = 1+c sin u ( ) pi≠∫ ∫ 2otg u du = -cotgu+C (u k ) CÁC CÔNG THỨC BỔ SUNG
CÔNG THỨC NGUYÊN HÀM THƯỜNG GẶP: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) α α ≠ ≠ α ≠ ≠ ≠ ∈ ≠ ≠ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ +1 ax+b ax+b kx kx 1 dx = 2 x + C (x 0) x ax + b1 ax + b dx = + C (a 0) a +1 1 1dx = ln ax + b + C (a 0) ax + b a 1 e dx = e + C (a 0) a a a dx = + C 0 k R, 0 < a 1 k.lna 1 cos ax + b dx = sin ax + b 1/ 2/ 3/ 4/ 5/ 6/ 7 + C (a 0) a 1 sin ax + b dx = -/ cos a ( ) pi pi pi ≠ ≠ + ≠ ∫ ∫ ∫ ax + b + C (a 0) tgx dx = - ln cosx + C (x k ) 2 cotgx dx = ln sinx + C (9/ x / k 8 )
CÁC CÔNG THỨC LŨY THỪA: m n m+n m m-n -n n n 1 n nmm m m a . a = a a 1 = a ; 1/ 2/ 3/ = a a a a = a ; a = a
CÁC CÔNG THỨC LƯỢNG GIÁC: a. CÔNG THỨC HẠ BẬC: ( ) ( ) 2 21/ 21 1sin x = 1-cos2x cos x = 1+cos2x 2 2 / b. CÔNG THỨC BIẾN ðỔI TÍCH THÀNH TỔNG ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )          1 cosa.cosb = cos a -b +cos a+b 2 1 sina.sinb = cos a -b - cos a+b 2 1 sina.cosb = sin a -b +sin a+b 2 1/ 2/ 3/ CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 5 II. TÍCH PHÂN: II.1. ðỊNH NGHĨA TÍCH PHÂN XÁC ðỊNH: Giả sử hàm số f(x) liên tục trên một khoảng K, a và b là hai phẩn tử bất kỳ của K, F(x) là một nguyên hàm của hàm số f(x) trên K. Hiệu F(b) – F(a) ñược gọi là tích phân từ a ñến b của f(x). Ký hiệu: ∫ b a b a =f(x)dx =F(x) F(b)-F(a) II.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA TÍCH PHÂN: =∫ ( ) 0/ 1 a a f x dx = −∫ ∫2/ ( ) ( ) a b b a f x dx f x dx = ≠∫ ∫ b b a a k f x dx k f x dx k . ( ) . ( ) (3/ 0) ± = ±∫ ∫ ∫ [ ( ) ( )4 ]/ ( ) ( ) b b b a a a f x g x dx f x dx g x dx = +∫ ∫ ∫ b a f(x) ( ) )5/ ( c b a c dx f x dx f x dx với c∈(a;b) 6/Nếu ≥ ∀ ∈f x x a b( ) 0, [ ; ] thì ≥∫ a ( ) 0 b f x dx . 7/Nếu ≥ ∀ ∈f x g x x a b( ) ( ), [ ; ] thì ≥∫ ∫ a ( ) ( ) b b a f x dx g x dx . 8/Nếu ≤ ≤ ∀ ∈m f x M x a b( ) , [ ; ] thì − ≤ ≤ −∫ a ( ) ( ) ( ) b m b a f x dx M b a . 9/ t biến thiên trên [ ; ]a b ⇒ = ∫( ) ( ) t a G t f x dx là một nguyên hàm của ( )f t và =( ) 0G a II.3. TÍNH TÍCH PHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH: Chú ý 1: ðể tính tích phân = ∫ ( ) b a I f x dx ta phân tích = + +1 1( ) ( ) ... ( )m mf x k f x k f x Trong ñó: ≠ =ik i m0 ( 1,2, 3,..., )các hàm =if x i m( ) ( 1,2,3,..., ) có trong bảng nguyên hàm cơ bản. VD4: Tính các tích phân sau: CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 6 ∫ 2 2 3 2 -1 3 2 3 2 2 -1 = (3x - 4x+3)dx =(x -2x +3x) =(2 -2.2 +3.2)-((-1) -2.(-1) +3.(-1))= 12 1) I Nhận xét: Câu 1 trên ta chỉ cần áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 1/ và 2/ trong bảng nguyên hàm. 2 I ∫ 2 4 3 2 2 1 3x -6x +4x -2x+4 ) = dx x Nhận xét: Câu 2 trên ta chưa áp dụng ngay ñược các công thức trong bảng nguyên hàm, trước hết tách phân số trong dấu tích phân (lấy tử chia mẫu) rồi áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 1/, 2/, 3/ trong bảng nguyên hàm. I⇒ + = = ∫ ∫ 2 24 3 2 2 2 2 1 1 3 2 2 1 3x -6x +4x -2x+4 2 4 = dx = (3x -6x+4- )dx x x x 4 (x -3x +4x -2ln |x |- ) 4-2ln2 x 3) I ∫ 2 2 0 x -5x+3 = dx x+1 Nhận xét: Câu 3 trên ta cũng chưa áp dụng ngay ñược các công thức trong bảng nguyên hàm, trước hết phân tích phân số trong dấu tích phân (lấy tử chia mẫu) rồi áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 1/, 2/ trong bảng nguyên hàm và công thức 3/ bổ sung. I 6x ⇒ − +          ∫ ∫ 2 22 0 0 2 2 0 x -5x+3 9 = dx = dx x+1 x+1 x = -6x+9ln |x+1 | = 2 -12+9ln3 =9ln3 -10 2 ( )4) I ∫ 1 x -x x -x -x 0 = e 2xe +5 e -e dx Nhận xét: Câu 4: biểu thức trong dấu tích phân có dạng tích ta cũng chưa áp dụng ngay ñược các công thức trong bảng nguyên hàm, trước hết nhân phân phối rút gọn rồi áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 1/, 2/, 5/ trong bảng nguyên hàm. ( ) ( ) 1 0 I   ⇒ =    ∫ ∫ 1 1 x x -x x -x -x x 2 0 0 5 4 = e 2xe +5 e -e dx = 2x+5 -1 dx = x + -x ln5 ln5 5) I pi pi =∫ 4 4 0 2 2 = (4cosx+2sinx - )dx (4sinx -2cosx -2tgx) = 2 2 - 2 -2+2= 2 cos x 0 Nhận xét: Câu 5 trên ta chỉ cần áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 6/, 7/ và 8/ trong bảng nguyên hàm. CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 7 6) I pi pi =∫ 8 0 8 0 = (4sin2x - 12cos4x)dx (-2cos2x - 3sin4x) = - 2 -3+2 = -1- 2 Nhận xét: Câu 6 trên ta cũng chỉ cần áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 6/ , 7/ trong bảng nguyên hàm phần các công thức bổ sung. 7) I pi pi ∫ 12 0 2= sin (2x - )dx 4 Nhận xét: Câu 7 học sinh có thể sai vì sử dụng nhầm công thức 2/ trong bảng bảng nguyên hàm cột bên phải, bởi ñã xem pi2u = sin (2x - ) 4 2 (hơi giống ñạo hàm hàm số hợp). Với câu 7 trước hết phải hạ bậc rồi sử dụng công thức 6/ trong bảng nguyên hàm phần các công thức bổ sung. ( ) I pi pi pi pi pi pi pi pi pi   ⇒                       ∫ ∫ ∫ 12 12 12 0 0 0 12 0 2 1 1= sin (2x - )dx = 1-cos(4x - ) dx = 1- sin4x dx 4 2 2 2 1 1 1 1 1 1 = x+ cos4x = + cos - 0+ cos0 = - 2 4 2 12 4 3 2 4 24 16 1 8/ I pi ∫ 16 0 = cos6x.cos2xdx Nhận xét: Ở câu 8: biểu thức trong dấu tích phân có dạng tích ta cũng chưa áp dụng ngay ñược các công thức trong bảng nguyên hàm, trước hết phải biến ñổi lượng giác biến ñổi tích thành tổng rồi áp dụng tính chất 4 và sử dụng công thức 6/ trong bảng nguyên hàm phần các công thức bổ sung. ( )I pi pi pi   ⇒ =     ∫ ∫ 16 16 0 0 16 0 1 1 1 1 = cos6x.cos2xdx = cos8x+cos4x dx sin8x+ sin4x 2 2 8 4 ( )0 0pi pi      = − = =            1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 sin + sin sin + sin + 1+ 2 2 8 2 4 4 2 8 4 2 8 8 16 9) I ∫ 2 2 -2 = x -1dx Nhận xét: Câu 9 biểu thức trong dấu tích phân có chứa giá trị tuyệt ñối, ta hướng học sinh khử dấu giá trị tuyệt ñối bằng cách xét dấu biểu thức x2 – 1 trên [-2;2] và kết hợp với tính chất 5/ của tích phân ñể khử giá trị tuyệt ñối. CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 8 ( ) ( ) ( )I 5 ⇒ − +       − + =            ∫ ∫ ∫ ∫ 2 -1 1 2 2 2 2 2 -2 -2 -1 1 3 3 3 -1 1 2 -2 -1 1 = x -1dx = x -1 dx x -1 dx x -1 dx x x x = - x - x - x 3 3 3 10) I ∫ 3 2 2 3x+9 = dx x - 4x -5 Nhận xét: Câu 10 trên ta không thực hiện phép chia ña thức ñược như câu 2 và 3, mặt khác biểu thức dưới mẫu phân tích ñược thành (x -5)(x+1) nên ta tách biểu thức trong dấu tích phân như sau: 2 3x+9 A B 4 1 = + = - x -4x -5 x -5 x+1 x -5 x+1 (phương pháp hệ số bất ñịnh) ( ) I  ⇒     = ∫ ∫ 3 3 2 2 2 3 2 3x+9 4 1 = dx = - dx = 4ln |x -5 |-ln |x+1 | x - 4x -5 x -5 x+1 4 4ln2 -ln4- 4ln3+ln3 = 2ln2 -3ln3 = ln 27 Chú ý 2: ðể tính I ≥∫ 22 a'x+b' = dx (b - 4ac 0) ax +bx+c ta làm như sau: TH1: Nếu 2b - 4ac=0 , khi ñó ta luôn có sự phân tích 2 2bax +bx+c=a(x+ ) 2a I⇒ ∫ ∫ ∫ 2 2 b ba' ba' a'(x+ )+b' - b' -a' dx dx2a 2a 2a= dx = + b b ba aa(x+ ) x+ (x+ ) 2a 2a 2a TH2: Nếu ⇒2 2 1 2b - 4ac >0 ax +bx+c=a(x - x )(x - x ) . Ta xác ñịnh A,B sao cho 1 2a'x+b' = A(x - x )+B(x - x ) , ñồng nhất hai vế  ⇒   1 2 A+B=a' Ax +Bx = -b' I ∫ ∫1 2 1 2 2 1 1 A(x - x )+B(x - x ) 1 A B = dx = ( + )dx a (x - x )(x - x ) a x - x x - x . CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 9 Chú ý 3: TH1: ðể tính I ∫ 1 2 n P(x) = dx (x -a )(x -a )...(x -a ) ta làm như sau: 1 2 n 1 2 n 1 2 n A A AP(x) = + +...+ (x -a )(x -a )...(x -a ) (x -a ) (x -a ) (x -a ) TH2: ðể tính I = ∫ m k r 1 2 n P(x) dx (x -a ) (x -a ) ...(x -a ) ta làm như sau: m k r 1 2 n P(x) (x -a ) (x -a ) ...(x -a ) = 1 2 m m m-1 1 2 m A A A + +...+ + ... (x -a ) (x -a ) (x -a ) TH3: ðể tính I ∫ P(x) = dx Q(x) với P(x) và Q(x) là hai ña thức: * Nếu bậc của P(x) lớn hơn hoặc bằng bậc của Q(x) thì lấy P(x) chia cho Q(x). * Nếu bậc của P(x) nhỏ hơn bậc của Q(x) thì tìm cách ñưa về các dạng trên. Nhận xét: Ví dụ 4 trên gồm những bài tập tính tích phân ñơn giản mà học sinh có thể áp dụng ngay bảng công thức nguyên hàm ñể giải ñược bài toán hoặc với những phép biến ñổi ñơn giản như nhân phân phối, chia ña thức, ñồng nhất hai ña thức, biến ñổi tích thành tổng...Qua ví dụ 4 này nhằm giúp các em thuộc công thức và nắm vững phép tính tích phân cơ bản. BÀI TẬP ðỀ NGHỊ 1: Tính các tích phân sau: 1) I ∫ 1 3 0 = (x x +2x +1)dx 2) Ι = ∫ 2 2 3 2 1 2x x + x x -3x+1 dx x 3) I ∫ 0 3 2 -1 x -3x -5x+3 = dx x -2 ( )4) I ∫ 2 22 -2 = x +x -3 dx ( )5) I pi ∫ 6 0 = sinx+cos2x -sin3x dx 6) I pi ∫ 12 0 = 4sinx.sin2x.sin3xdx 7) I pi ∫ 0 16 4= cos 2xdx 8) I ∫ 2 2 -2 = x +2x -3dx 9) I ∫ 4 2 1 dx = x -5x+6 10) I ∫ 1 0 dx = x+1+ x 11) I ∫ 2x +2x+6 = dx (x -1)(x -2)(x - 4) 12) I ∫ 2 3 x +1 = dx (x -1) (x+3) 13) I ∫ 4 2 xdx = x -6x +5 14) I ∫ 7 4 2 x dx = (1+x ) CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 10 II.4. TÍCH PHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ðỔI BIẾN SỐ: II.4.1. Phương pháp ñổi biến số loại 1: Ta có chú ý (SGK trang 123): Tích phân ∫ b a f(x)dx chỉ phụ thuộc vào hàm số f(x), cận a và b mà không phụ thuộc vào cách ký hiệu biến số tích phân. Tức là: ...= = =∫ ∫ ∫ b b b a a a f(x) f(t) f(u)dx dt du Trong một số trường hợp tính tích phân mà không tính trực tiếp bằng công thức hay qua các bước phân tích ta vẫn không giải ñược. Ta xét các trường hợp cơ bản sau: VD5: Tính các tích phân sau: 1) I = ∫ 2 2 2 0 dx 2 -x Phân tích: Biểu thức trong dấu tích phân có chứa căn bậc hai, ta không khử căn bằng phép biến ñổi bình phương hai vế ñược, ta thử tìm cách biến ñổi ñưa căn bậc hai về dạng 2A , khi ñó ta sẽ liên tưởng ngay ñến công thức: 2 2x = x = x1-sin cos cos , do ñó: ðặt ⇒x = 2sint dx = 2costdt , ;pi pi    ∈ - 2 2 t ðổi cận: pi⇒ ⇒2 2x = 2sint = t = 2 2 6 ⇒ ⇒ x = 0 2sint = 0 t = 0 I pi pi pi pi pi ⇒ ∫ ∫ ∫ 6 6 6 6 2 2 0 0 0 0 = = 2cost.dt 2cost.dt = dt= t = 62 -2sin t 2(1-sin t) ( vì 0; pi  ⇒  ∈ cost >06t ) Trong VD trên khi ta thay ñổi như sau: I = ∫ 2 2 0 dx 2 -x . Học sinh làm tương tự và ñược kết quả I 2 pi = . Kết quả trên bị sai vì hàm số ( )f x = 2 1 2-x không xác ñịnh khi 2x= . Do ñó khi ra ñề ở dạng trên Giáo viên cần chú ý: hàm số ( )f x xác ñịnh trên [a;b] CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 11 2) I ∫ 6 2 2 0 = 3 -x dx ðặt ⇒x = sint dx = costdt3 3 , ;pi pi    ∈ - 2 2 t ðổi cận: pi⇒ ⇒6 6x = 3sint = t = 2 2 4 ⇒ ⇒ x =0 2sint =0 t = 0 ( ) pi pi pi pi pi          ⇒ ∫ ∫ ∫ 4 4 4 42 2 0 0 0 0 . = = 3 3 1 3 1 I = 3 -3sin t 3cost.dt 3cos t.dt 1+cos2t .dt = t+ sin2t = + 2 2 2 2 4 2 a) Khi gặp dạng β β α α ∫ ∫ 2 2 2 2 dx a -x dx hay a -x (a > 0) ðặt x = sinta. ⇒dx =a.cost.dt , ;pi pi    ∈ - 2 2 t ( ðể biến ñổi ñưa căn bậc hai về dạng 2A , tức là: 2 2 2 2 2x = x =a. xa -a sin a cos cos ) ðổi cận: x = β ⇒ t = β’ ;pi pi    ∈ - 2 2 x = α ⇒ t = α’ ;pi pi    ∈ - 2 2 Lưu ý: Vì ; ', ' ;pi pi pi piα β   ⇒ ⇒      ∈ ∈- - cost >02 2 2 2t ' ' ' ' t β β β α α α ⇒ = =∫ ∫ ∫ 2 2 2 2 2 2 2.acost a costa -x dx a -a sin dt dt , hạ bậc cos2t. ' ' ' 't β β β α α α = =∫ ∫ ∫2 2 2 2 2 a.costdx dt hay dt a -x a -a sin ðến ñây, công thức nguyên hàm không phụ thuộc vào biến số nên ta tính ñược tích phân theo biến số t một cách dễ dàng. Ở ñây ta cần lưu ý: Biểu thức trong dấu tích phân này là hàm số theo biến số t ñơn ñiệu trên [α;β]. Ta mở rộng tích phân dạng trên như sau: b) Khi gặp dạng β β α α ∫ ∫ 2 2 2 2 dx a -u (x)dx hay a -u (x) (a > 0) ðặt ⇒.sint .u(x)=a u'(x) dx =a.cost.dt , ;pi pi    ∈ - 2 2 t CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 12 ðổi cận: x = β ⇒ t = β’ ;pi pi    ∈ - 2 2 x = α ⇒ t = α’ ;pi pi    ∈ - 2 2 VD6: Tính tích phân sau: I ∫ 6 2+ 2 2 2 = -x +4x -1 dx . Ta có: ( )I ∫ 6 2+ 2 2 2 = 3 - x -2 dx ðặt ⇒x -2 = sint dx = cost.dt3 3 , ;pi pi    ∈ - 2 2 t ðổi cận: pi⇒ ⇒2x = 2+ sint = t = 4 6 2 2 0 ⇒ ⇒x = 2 sint = 0 t = ( ) I pi pi pi pi pi          ⇒ ∫ ∫ ∫ 4 4 2 2 0 0 4 4 0 0 . = = = 3 -3sin t 3cost.dt 3cos t.dt 3 3 1 3 1 1+ cos2t .dt = t+ sin2t = + 2 2 2 2 4 2 VD7: Tính tích phân sau: ∫ 2 2 0 dx I = dx 2+x Nhận xét: Ta thấy tam thức bậc hai ở mẫu số vô nghiệm nên ta không sử dụng phương pháp hệ số bất ñịnh như ví dụ 4.10 và không phân tích biểu thức trong dấu tích phân ñược như chú ý 2 và chú ý 3. ðặt: ( )⇒ 2x = 2tgt dx = 2. 1+tg t dt , ;pi pi ∈    t - 2 2 ðổi cận: pi⇒ ⇒x = 2 2tgt = 2 t = 4 ⇒ ⇒ x = 0 2tgt = 0 t = 0 ( ) I pi pi pi pi ⇒ ∫ ∫ 24 4 4 2 0 0 0 = = = 2. 1+tg t dt 2 2 2 dt= t 2+2tg t 2 2 8 c) Khi gặp dạng β α ∫ 2 2 dx a +x (a > 0) Nhận xét: a2 + x2 = 0 vô nghiệm nên ta không phân tích biểu thức trong dấu tích phân ñược như chú ý 2 và chú ý 3. ðặt ( )⇒ 2x = a.tgt dx = a. 1+tg t dt , ;pi pi ∈    t - 2 2 CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 13 ðổi cận: x = β ⇒ t = β’ ;pi pi ∈    - 2 2 x = α ⇒ t = α’ ; pi pi  ∈    - 2 2 Ta xét ví dụ tương tự tiếp theo: VD8: Tính tích phân sau: I ∫ 1+ 2 2 1 dx = x -2x+3 Nhận xét: Ta thấy tam thức bậc hai ở mẫu số vô nghiệm nên ta phân tích mẫu số ñược thành: a2 + u2(x). Ta có: ( )I ∫ ∫ 1+ 2 1+ 2 22 1 1 = dx dx = x -2x+3 2+ x-1 ðặt ( )⇒ 22tgtx -1= dx = 2. 1+tg t dt , ;pi pi ∈    t - 2 2 ðổi cận: pi ⇒ ⇒x = 1+ tgt = 1 t = 4 2 0 ⇒ ⇒x = 1 tgt = 0 t = ( )I pi pi pi pi =⇒ ∫ ∫ 24 4 4 2 0 0 0 = = 2. 1+tg t dt 2 2 2 dt= t 2+2tg t 2 2 8 Vậy: d) Khi gặp dạng ( ) β α ∫ 2 2 dx a +u x (a > 0) Với tam thức bậc hai ( )2 2a +u x vô nghiệm thì ðặt ( )⇒ 2u(x)=a.tgt u'(x)dx =a. 1+tg t dt , ;pi pi ∈    t - 2 2 ðổi cận: x = β ⇒ t = β’ ;pi pi ∈    - 2 2 x = α ⇒ t = α’ ; pi pi  ∈    - 2 2 Tóm lại: Phương pháp ñổi biến số dạng 1: ðịnh lý: Nếu 1. Hàm số x = u(t) có ñạo hàm liên tục, ñơn ñiệu trên ñoạn [α;β]. 2. Hàm số hợp f [u(t)] ñược xác ñịnh trên ñoạn [α;β]. CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 14 3. u(α) = a, u(β) = b. thì [ ] β α =∫ ∫ b a f(x) f u(t) u'(t).dx dt Từ ñó ta rút ra quy tắc ñổi biến số dạng 1 như sau: B1: ðặt x = u(t) (với u(t) là hàm có ñạo hàm liên tục trên α β[ ; ] , f(u(t)) xác ñịnh trên α β[ ; ] và α β= =( ) , ( )u a u b ) và xác ñịnh α β, B2: Thay vào ta có: ( )I ββ α α β α∫ ∫ b a = f(u(t)).u'(t)dt = g(t)dt =G(t) =G( ) -G Một số dạng khác thường dùng phương pháp ñổi biến số dang 1: * Hàm số trong dấu tích phân chứa 2 2 2 2 2 2 1 a -b x a -b x hay ta thường ñặt ax = sint b * Hàm số trong dấu tích phân chứa 2 2 2 2 2 2 b x -a b x -a 1 hay ta thường ñặt ax = bsint * Hàm số trong dấu tích phân chứa 2 2 2 1 a +b x ta thường ñặt ax = tgt b * Hàm số trong dấu tích phân chứa x(a -bx) ta thường ñặt 2ax = sin t b BÀI TẬP ðỀ NGHỊ 2: Tính các tích phân sau: 1) I ∫ 1 2 0 = x 1- x dx 2) I ∫ 21 2 0 x = dx 4 -3x 3) I ∫ 1 2 0 x = dx 3+2x - x 4) I ∫ 2 2 1 x -1 = dx x 5) I ∫ 3 2 1 x+1 = dx x(2 - x) 6) I ∫ 1 2 0 dx = x +x+1 Hướng dẫn: Câu 4: ðặt 1x = sint Câu 5: ðặt 2x = 2sin t VD9: Chứng minh rằng: Nếu hàm số f(x) liên tục trên 0; pi   2 thì ( ) ( ) pi pi =∫ ∫ 2 2 0 0 f sinx dx f cosx dx Áp dụng phương pháp trên ñể tính các tích phân sau : 1) I pi ∫ 42 4 4 0 sin x = dx sin x+cos x 2) I pi ∫ 4 0 = ln(1+tgx)dx CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 15 Giải VT = ( ) pi ∫ 2 0 f sinx dx ðặt pi ⇒x = - t dx = -dt 2 . ðổi cận pi pi⇒ ⇒x =0 t = ; x = t =0 2 2 ( )VT VP pi pi pi   ⇒ = − − = =      ∫ ∫ 0 2 0 2 f sin dt f cosx dx 2 t (ñpcm) Áp dụng phương pháp trên ñể tính các tích phân sau : 1) I pi ∫ 42 4 4 0 sin x = dx sin x+cos x ðặt pi ⇒x = - t dx = -dt 2 . ðổi cận pi pi⇒ ⇒x =0 t = ; x = t =0 2 2 I pi pi pi pi pi pi∫ ∫ ∫ 4 4 40 2 2 4 4 4 4 4 4 0 0 2 sin ( - t) cos t cos x2= - dt = dt = dx sin t+cos t sin x+cos xsin ( - t)+cos ( - t) 2 2 pi pi pi pi pi ⇒ ⇒∫ ∫ ∫ 4 42 2 2 4 4 4 4 0 0 0 sin x cos x 2I = dx+ dx = dx = I = 2 4sin x+cos x sin x+cos x . 2) I pi ∫ 4 0 = ln(1+tgx)dx ðặt pi ⇒x = - t dx = -dt 4 ðổi cận pi pi⇒ ⇒x =0 t = ; x = t =0 4 4 I I pi pi pi pi pi pi pi ⇒ ⇒ ⇒ ∫ ∫ ∫ ∫ 4 4 40 0 0 0 4 1-tgt =- ln[1+tg( -t)]dt= ln(1+ )dt= [ln2 -ln(1+tgt)]dt=ln2. dt - I 4 1+tgt ln2 .ln2 2 = I = 4 8 BÀI TẬP ðỀ NGHỊ 3: Tính các tích phân sau: CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 16 1) pi pi ∫ ∫ 2 2 n n 0 0 sin xdx = cos xdx HD: ðặt pi x = - t 2 . 2) Cho ∫ a -a I = f(x)dx . CMR: a) I ∫ a 0 = 2 f(x)dx nếu f(x) là hàm số chẵn. b) I = 0 nếu f(x) là hàm số lẻ. 3) Chứng minh rằng: Nếu f(x) là hàm số chẵn thì ∫ ∫ b b x -b 0 f(x) dx = f(x)dx a +1 . Áp dụng: Tính ∫ 22 x -2 2x +1 I = dx 2 +1 . 4) Chứng minh rằng: pi pipi ∫ ∫ 0 0 xf(sinx)dx = f(sinx)dx 2 (HD: ðặt pix = - t ) Áp dụng: Tính pi ∫ 2 0 xsinx I = dx 4+sin x . BÀI TẬP ðỀ NGHỊ 4: Tính các tích phân sau: (Các ñề tuyển sinh ðại học) a) I = ∫ 2 22 2 0 x dx 1- x (ðH TCKT 1997) ( )b) I = ∫ 1 32 0 1- x dx (ðH Y HP 2000) c) I = ∫ 2 2 2 0 x 4- x dx (ðH T.Lợi 1997) d) I = ∫ a 2 2 2 0 x a - x dx (ðH SPHN 2000) e) I = ∫ 3 2 2 1 2 dx x 1- x (ðH TCKT 2000) f) I = ∫ 1 4 2 0 dx x +4x +3 (ðH T.Lợi 2000) ( )g) I = ∫ 1 22 -1 dx 1+x (ðH N.Ngữ 2001) h) I = ∫ 2 2 2 3 dx x x -1 (ðH BKHN 1995) II.4.2. Phương pháp ñổi biến số loại 2: (Dạng nghịch) Nếu tích phân có dạng   ∫ b a f u(x) u'(x)dx ðặt: ⇒u = u(x) du = u'(x)dx ðổi cận: ⇒ 2x = b u = u(b) 1⇒x = a u = u(a) ( )I⇒ ∫ 2 1 u u = f u du CHUYÊN ðỀ:”CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN” GV: NGUYỄN DUY KHÔI Trường THPT Nam Hà – Biên Hòa – ðồng Nai Trang 17 a) Một số dạng cơ bản thường gặp khi ñổi biến số loại 2:(Dạng nghịch) Trong một số trường hợp tính tích phân bằng phương pháp phân tích hay tính tích phân bằng tích phân ñổi biến số loại 1 không ñược nhưng ta thấy biểu thức trong dấu tích phân có chứa: 1. Lũy thừa t