Tài liệu Sách điện tử môn giải tích hàm số một biến

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ------------------ Vũ Thanh Hiếu SÁCH ĐIỆN TỬ MÔN GIẢI TÍCH HÀM SỐ MỘT BIẾN LUẬN VĂN THẠC SỸ TOÁN HỌC Chuyên ngành: PHƯƠNG PHÁP TOÁN SƠ CẤP Mã số: 60.46.40 Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. TẠ DUY PHƯỢNG THÁI NGUYÊN - NĂM 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Mục lục Mở đầu 6 1 Dãy số và chuỗi số 1.1 Dãy số và giới hạn của dãy số . . . . . . . . . . . 1.1.1 Một số khái niệm . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Một số tính chất của dãy hội tụ . . . . . . 1.1.3 Một số phép toán trên giới hạn . . . . . . . 1.2 Hai nguyên lý cơ bản về giới hạn và ứng dụng . . . 1.2.1 Hai nguyên lý cơ bản về giới hạn . . . . . . 1.2.2 Một số giới hạn quan trọng . . . . . . . . . 1.2.3 Sự tồn tại điểm tụ trong dãy bị chặn . . . . 1.2.4 Tiêu chuẩn Cauchy . . . . . . . . . . . . . 1.3 Chuỗi số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Một số khái niệm . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Tiêu chuẩn Cauchy . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Dấu hiệu so sánh . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Dấu hiệu hội tụ của chuỗi số dương . . . . 1.3.5 Chuỗi đan dấu và dấu hiệu Leibniz . . . . . 1.3.6 Dấu hiệu Dirichlet và Abel . . . . . . . . . 1.4 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 1.4.1 Giới thiệu về phần mềm Maple . . . . . . . 1.4.2 Minh họa dãy số bằng lệnh vẽ dãy điểm . . 1.4.3 Tìm quy luật của một dãy số . . . . . . . . 1.4.4 Tính tổng hữu hạn . . . . . . . . . . . . . 1.4.5 Tính tổng vô hạn . . . . . . . . . . . . . . 1.4.6 Tính tích của hữu hạn hoặc vô hạn thừa số 1.4.7 Tính giới hạn của dãy số . . . . . . . . . . 1.5 Bài tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . http://www.lrc-tnu.edu.vn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 9 10 11 11 11 12 12 12 13 13 13 14 14 14 15 15 15 19 20 21 22 22 23 23 3 2 Hàm số 2.1 Các khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Khái niệm hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Đồ thị của hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Một số hàm có cấu trúc đặc biệt . . . . . . . . . 2.1.4 Các phép toán trên hàm số . . . . . . . . . . . . 2.2 Các hàm số cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Các hàm sơ cấp cơ bản . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Các hàm sơ cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 2 . . 2.3.1 Định nghĩa hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Tìm tập xác định của hàm số . . . . . . . . . . . 2.3.3 Vẽ đồ thị của hàm số trong không gian hai chiều 2.4 Bài tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 24 24 24 25 26 27 27 27 27 27 29 29 30 3 Giới hạn và tính liên tục của hàm số 3.1 Một số khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Giới hạn tại một điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Giới hạn một phía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Mở rộng khái niệm giới hạn . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Một số tính chất của giới hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Tiêu chuẩn tồn tại giới hạn . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Định lý về tính duy nhất của giới hạn . . . . . . . . 3.2.3 Định lý về tính bảo toàn thứ tự . . . . . . . . . . . 3.3 Các phép toán trên giới hạn hàm số . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Các phép toán số học . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Giới hạn của hàm hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Hai nguyên lý cơ bản về giới hạn và ứng dụng . . . . . . . . 3.4.1 Nguyên lý về giới hạn của hàm đơn điệu bị chặn . . 3.4.2 Nguyên lý về giới hạn của hàm bị kẹp . . . . . . . . 3.4.3 Áp dụng trong việc tính giới hạn của các hàm cơ bản 3.5 Tính liên tục của hàm số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Khái niệm liên tục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Khái niệm gián đoạn . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Các định lý cơ bản về hàm liên tục . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Các định lý về giá trị trung gian . . . . . . . . . . . 3.6.2 Các phép toán trên các hàm liên tục . . . . . . . . . 3.6.3 Hàm số liên tục đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4 Hàm liên tục trên tập compact . . . . . . . . . . . . 31 31 31 31 32 32 32 33 33 33 33 34 34 34 34 34 35 35 35 35 35 36 36 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên . . . . . . . . . . . . . http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3.7 3.8 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 3 . . . 3.7.1 Tính giới hạn của hàm số . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2 Tìm điểm gián đoạn của hàm số . . . . . . . . . . 3.7.3 Tính giới hạn của hàm số khi đối số dần đến một điểm nào đó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.4 Tính giới hạn của hàm số theo từng bước . . . . . Bài tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Đạo hàm 4.1 Khái niệm đạo hàm . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Định nghĩa đạo hàm . . . . . . . . . . . . . 4.2 Các phép toán trên đạo hàm . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Các phép toán số học trên đạo hàm . . . . 4.2.2 Đạo hàm của hàm hợp và hàm ngược . . . 4.2.3 Đạo hàm của các hàm số sơ cấp cơ bản . . 4.3 Các định lý quan trọng về hàm khả vi . . . . . . . 4.3.1 Định lý Fermat về điều kiện cực trị . . . . 4.3.2 Các định lý về giá trị trung bình . . . . . . 4.4 Một số ứng dụng của đạo hàm . . . . . . . . . . . 4.4.1 Tính giới hạn dạng không xác định . . . . . 4.4.2 Tìm cực trị của hàm số . . . . . . . . . . . 4.4.3 Khảo sát các tính chất của hàm số . . . . . 4.5 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 4.5.1 Tính đạo hàm của hàm số . . . . . . . . . 4.5.2 Tính đạo hàm của hàm số theo từng bước . 4.5.3 Khảo sát hàm số . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Bài tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . . . . 5 Phép tính tích phân 5.1 Tích phân bất định . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Khái niệm nguyên hàm và tích phân bất định 5.1.2 Các tính chất và quy tắc cơ bản . . . . . . . 5.1.3 Bảng các tích phân bất định cơ bản . . . . . 5.2 Tích phân xác định Riemann . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Khái niệm tích phân xác định . . . . . . . . 5.2.2 Một số tính chất . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Một số phương pháp tính tích phân xác định 5.2.4 Một số ứng dụng của tích phân . . . . . . . . 5.3 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 5 5.3.1 Minh họa và tính tổng Riemann . . . . . . . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . http://www.lrc-tnu.edu.vn . 37 . 37 . 38 . 39 . 40 . 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 43 43 44 44 45 45 46 46 47 47 47 48 48 49 49 50 52 53 . . . . . . . . . . . 54 54 54 55 55 56 56 57 58 59 61 61 5 5.4 5.3.2 Tính tích phân xác định . 5.3.3 Tính tích phân từng bước 5.3.4 Tính diện tích và thể tích 5.3.5 Tính nguyên hàm . . . . Bài tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 66 68 71 72 Kết luận 73 Tài liệu tham khảo 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Mở đầu Phần mềm Maple được xây dựng bởi một nhóm các nhà khoa học thuộc trường Đại học Waterloo – Canada, và được tiếp tục phát triển tại những phòng thí nghiệm ở các trường đại học, bao gồm: Phòng thí nghiệm Tính toán hình thức tại Đại học Waterloo; Trung tâm nghiên cứu Tính toán hình thức Ontario tại Đại học Tây Ontario; và những phòng thí nghiệm khắp nơi trên thế giới. Maple có cách cài đặt đơn giản, chạy được trên nhiều hệ điều hành, có cấu trúc linh hoạt để tận dụng tối ưu cấu hình máy và có trình trợ giúp rất dễ sử dụng. Maple có môi trường tính toán rất phong phú, hỗ trợ hầu hết các lĩnh vực của toán học với khả năng tính toán trên các kí hiệu (symbolic). Từ version 7, Maple cung cấp ngày càng nhiều các công cụ trực quan, các gói lệnh tự học gắn liền với toán học phổ thông và đại học. Về lập trình tính toán, Maple vượt xa các ngôn ngữ thông thường khác trên cả hai phương diện: mạnh và đơn giản. Ngoài ra, sử dụng Maple, ta có thể dễ dàng biên soạn các sách giáo khoa điện tử với chức năng Hyperlink tạo các siêu văn bản rất đơn giản mà không cần đến sự hỗ trợ của bất kỳ một phần mềm nào khác. Với những ưu điểm đó, Maple đã được nhiều người trên thế giới lựa chọn và là một trong những bộ phần mềm toán học được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Maple có thể trợ giúp hữu hiệu cho việc dạy và học toán. Rất nhiều công việc như giải phương trình, hệ phương trình, bất phương trình, tính đạo hàm, tích phân, vẽ đồ thị . . . được thực hiện bằng những câu lệnh rất đơn giản chứ không phải lập trình tính toán phức tạp như trước kia. Nếu biết khai thác một cách hiệu quả, Maple sẽ là công cụ minh họa hoàn hảo, hỗ trợ cho giáo viên trong việc dạy những kiến thức khó và trừu tượng (chẳng hạn như khái niệm tích phân), giúp giáo viên nâng cao chất lượng giảng dạy và giảm thiểu thời gian đứng lớp; giúp học sinh hiểu sâu hơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 bài giảng, nâng cao kỹ năng tính toán và phát triển khả năng sáng tạo . . . Luận văn ”Sách điện tử môn giải tích Hàm số một biến” có mục đích hệ thống một số lệnh thông dụng bổ trợ cho phần giải tích Hàm số một biến. Chúng tôi sử dụng Maple version 13 và đã cố gắng tận dụng những tính năng ưu việt của Maple như chức năng đóng gói, bookmark, hyperlink . . . để giúp người sử dụng dễ dàng tra cứu; và viết các câu lệnh thông dụng thành nhóm lệnh, để những người chưa từng làm quen với Maple vẫn có thể thực hiện những lệnh đó chỉ bằng thao tác ấn phím Enter, đồng thời cung cấp mẫu cho người sử dụng có thể tự thực hiện với bài toán của mình và phát triển thêm. Hy vọng điều này sẽ tạo được hứng thú và giúp người sử dụng làm quen, khai thác Maple để làm toán một cách dễ dàng, nhanh chóng hơn. Luận văn gồm 5 chương: Chương 1. Dãy số và chuỗi số Chương 2. Hàm số Chương 3. Giới hạn và tính liên tục của hàm số Chương 4. Đạo hàm Chương 5. Phép tính tích phân Cấu trúc của mỗi chương gồm ba phần - Kiến thức lý thuyết: Các kiến thức cơ bản (các định nghĩa, định lý. . .) được đưa vào, với khả năng đóng gói và hyperlink của Maple giúp người sử dụng có thể dễ dàng tra cứu, tham khảo để ôn lại kiến thức khi cần thiết. - Ứng dụng Maple: Tương ứng với các kiến thức được nêu trong chương, chúng tôi giới thiệu các lệnh thông dụng của Maple dùng để hỗ trợ thực hành tính toán. Ngoài các câu lệnh riêng lẻ, còn có một số chương trình (gồm nhiều câu lệnh được viết thành nhóm) thực hiện những công việc phổ biến như khảo sát hàm số, tính tích phân theo từng bước . . . giúp người sử dụng có thể dùng Maple giải quyết bài toán của mình mà không phải trực tiếp gõ các lệnh, đồng thời có mẫu để tham khảo tự viết chương trình khi đã quen với Maple. - Bài tập: Chúng tôi đưa vào một số bài tập nhằm giúp người sử dụng nắm được cách gõ các biểu thức toán học theo quy định của Maple, minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 họa cho khả năng tính toán của Maple. Một số bài tập được nêu cả cách giải ”truyền thống” và cách giải bằng Maple để người sử dụng có thể tham khảo và so sánh. Kèm theo luận văn này là một đĩa CD chứa nội dung sách điện tử được biên soạn trên Maple. Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Duy Phượng (Viện Toán học - Viện Khoa học Việt Nam). Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy về sự tận tình hướng dẫn trong quá trình làm luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Toán - Tin trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giảng dạy lớp Cao học Toán K3 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, các thầy cô tổ Toán - Tin trường Phổ thông Vùng cao Việt Bắc, bạn bè đồng nghiệp cùng gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, khích lệ tôi hoàn thành bản luận văn này. Thái Nguyên 2011 Vũ Thanh Hiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Chương 1 Dãy số và chuỗi số 1.1 1.1.1 Dãy số và giới hạn của dãy số Một số khái niệm Định nghĩa 1.1 (Dãy số). Dãy số là một tập đếm được các số thực, được đánh số và sắp xếp theo thứ tự chỉ số tăng dần. Dãy số thường được ký hiệu là (an ). Ta gọi an là số hạng tổng quát của dãy số, dãy số được hoàn toàn xác định khi biết công thức biểu diễn số hạng tổng quát an . Chú ý 1.1. Có nhiều phương pháp cho dãy số: cho công thức biểu diễn số hạng tổng quát, liệt kê, mô tả tính chất, truy hồi, . . . Định nghĩa 1.2 (Dãy số bị chặn - giới nội). Dãy số (an ) được gọi là bị chặn trên (bị chặn dưới) nếu tồn tại số c sao cho an 6 c (c 6 an ) với mọi n. Khi dãy số vừa bị chặn trên vừa bị chặn dưới ta nói nó là bị chặn (hay còn gọi là giới nội). Định nghĩa 1.3 (Giới hạn của dãy số). Số a được gọi là giới hạn của dãy số (an ) nếu với mỗi số dương ε bất kỳ ta có thể tìm được một số tự nhiên N (phụ thuộc vào ε) sao cho an ∈ (a − ε; a + ε), (tức là |an − a| < ε) với mọi n ≥ N . Khi đó ta viết lim an = a n→∞ hay an → a, khi n → ∞ và nói rằng dãy số (an ) là hội tụ (tới a). Dãy không hội tụ thì được gọi là dãy phân kỳ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Chú ý 1.2. Trong kí hiệu trên, nếu không sợ nhầm lẫn ta có thể bỏ n → ∞, tức là, viết lim an thay cho lim an . n→∞ Mệnh đề 1.1. Nếu (an ) hội tụ thì giới hạn của nó là duy nhất. Định nghĩa 1.4 (Dãy con). Giả sử (an ) là dãy số và n1 < n2 < . . . là một tập con những số tự nhiên xếp theo thứ tự tăng dần. Khi đó dãy (ank ) được gọi là dãy con của dãy (an ). Mệnh đề 1.2. Nếu (an ) hội tụ tới a thì mọi dãy con vô hạn của nó cũng hội tụ tới a. Định nghĩa 1.5 (Giới hạn trên và giới hạn dưới). Giả sử (ank ) là một dãy con của (an ) và lim ank = a thì a được gọi là một giới hạn riêng của (an ). k→∞ Kí hiệu A là tập tất cả các giới hạn riêng. sup A được gọi là giới hạn trên của (an ), ký hiệu lim sup an ; inf A được gọi là giới hạn dưới của (an ), ký n→∞ hiệu lim inf an . n→∞ Mệnh đề 1.3. Dãy số (an ) hội tụ khi và chỉ khi lim sup an = lim inf an . n→∞ n→∞ Ta nhớ lại, với tập con A ⊂ R, một điểm x ∈ R được gọi là điểm tụ của A nếu tồn tại một dãy các phần tử của A hội tụ về x. Như vậy, một giới hạn riêng của một dãy chính là một điểm tụ của dãy đó. Ta có mệnh đề Mệnh đề 1.4. Điểm a là một điểm tụ của dãy số (an ) khi và chỉ khi có dãy con (ank ) hội tụ tới a. 1.1.2 Một số tính chất của dãy hội tụ Mệnh đề 1.5 (Tính giới nội). Mọi dãy hội tụ đều giới nội. Mệnh đề 1.6 (Tính bảo toàn thứ tự). Giả sử a = lim an , b = lim bn . n→∞ n→∞ Khi đó i) Nếu tồn tại n0 sao cho an ≥ bn với mọi n ≥ n0 thì a ≥ b. ii) Nếu a > b thì tồn tại n0 sao cho với mọi n ≥ n0 , ta có an > bn . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 1.1.3 Một số phép toán trên giới hạn Định nghĩa 1.6 (Dãy vô cùng bé). Ta nói (an ) là dãy vô cùng bé nếu lim an = 0. Mệnh đề 1.7. i) Nếu (an ) và (bn ) là các dãy vô cùng bé thì (an + bn ) cũng là dãy vô cùng bé. ii) Nếu (an ) là dãy vô cùng bé và (bn ) giới nội thì (an · bn ) là dãy vô cùng bé. Hệ quả 1.1. Nếu (an ) là dãy vô cùng bé và (bn ) hội tụ thì (an · bn ) là dãy vô cùng bé. Mệnh đề 1.8. Cho lim an = a, lim bn = b. Khi đó • • • • lim(an + bn ) = a + b, lim(an − bn ) = a − b, lim(a a · b,  an · bn ) = a n lim = (khi b 6= 0). bn b 1.2 1.2.1 Hai nguyên lý cơ bản về giới hạn và ứng dụng Hai nguyên lý cơ bản về giới hạn Định nghĩa 1.7 (Dãy đơn điệu). Ta gọi (an ) là dãy không giảm nếu an+1 ≥ an với mọi n ∈ N. Nếu bất đẳng thức là chặt ta sẽ có dãy đơn điệu tăng. Tương tự như vậy ta có khái niệm về dãy không tăng và dãy đơn điệu giảm. Định lý 1.1 (Weierstrass). Mọi dãy không giảm và bị chặn trên (hay không tăng và bị chặn dưới) đều hội tụ. Chú ý 1.3. Nếu (an ) không giảm (không tăng) và không bị chặn trên (dưới) thì lim an = +∞ (lim an = −∞). Định nghĩa 1.8. Ta nói rằng dãy số (cn ) bị kẹp giữa hai dãy số (an ) và (bn ) nếu như tồn tại chỉ số n0 sao cho khi n > n0 thì an ≤ cn ≤ bn . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Định lý 1.2 (Nguyên lý về dãy bị kẹp). Giả sử hai dãy (an ), (bn ) cùng có giới hạn a. Khi đó mọi dãy số (cn ) bị kẹp giữa hai dãy (an ), (bn ) cũng có giới hạn là a. 1.2.2 1. 2. 3. 4. 5. Một số giới hạn quan trọng  1 n lim 1 + = e. n→∞  n n c lim 1 + 2 = 1. n→∞  n n x lim 1 + = ex với mọi số thực x. n→∞ n   a b n a n lim 1 + + 2 = lim 1 + với mọi số thực a, b. n→∞ n→∞ n nn n     x n x+y y n = lim 1 + lim 1 + · lim 1 + . n→∞ n→∞ n→∞ n n n 1.2.3 Sự tồn tại điểm tụ trong dãy bị chặn Định lý 1.3 (Bolzano - Weierstrass). Mọi dãy giới nội đều có điểm tụ. 1.2.4 Tiêu chuẩn Cauchy Định nghĩa 1.9 (Dãy cơ bản). Dãy (an ) được gọi là dãy cơ bản (hay dãy Cauchy) nếu với mỗi ε > 0 tồn tại n0 ∈ N∗ sao cho |an − am | < ε với mọi n, m ≥ n0 . Định lý 1.4 (Tiêu chuẩn hội tụ Cauchy). Dãy (an ) hội tụ khi và chỉ khi nó là dãy cơ bản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 1.3 1.3.1 Chuỗi số Một số khái niệm Định nghĩa 1.10. Cho dãy số (an ). Tổng hình thức ∞ X an (1.1) n=1 gọi là một chuỗi số, an được gọi là số hạng tổng quát, số Sn = a1 + a2 + · · · + an gọi là tổng riêng thứ n của dãy. Nếu dãy (Sn ) hội tụ tới S (hữu hạn) thì ta nói chuỗi số (1.1) hội tụ, có tổng bằng S . Ký hiệu S= ∞ X an . n=1 Nếu dãy (Sn ) không hội tụ, ta nói chuỗi là phân kỳ. Nếu an > 0 với mọi n ∈ N∗ thì chuỗi (1.1) được gọi là chuỗi số dương. Định nghĩa 1.11. Chuỗi hội tụ. Nếu chuỗi ∞ P ∞ P ∞ P an gọi là hội tụ tuyệt đối nếu chuỗi n=1 an hội tụ mà chuỗi n=1 ∞ P ∞ P |an | n=1 |an | phân kỳ thì ta nói chuỗi n=1 an bán hội tụ hay hội tụ có điều kiện. n=1 1.3.2 Tiêu chuẩn Cauchy Mệnh đề 1.9 (Tiêu chuẩn Cauchy). Chuỗi số ∞ P an là hội tụ khi và chỉ n=1 khi, với mỗi số ε > 0 (nhỏ bao nhiêu tùy ý), tồn tại số N ∈ N sao cho với   mọi số tự nhiên n > N và mọi m ∈ N ta luôn có S n+m  < ε, trong đó n Snn+m = an+1 + · · · + an+m . Hệ quả 1.2. Nếu ∞ P an hội tụ thì lim an = 0. n=1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên n→∞ http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 1.3.3 Dấu hiệu so sánh ∞ ∞ P P Mệnh đề 1.10. Nếu an hội tụ và | bn |≤ an với mọi n thì chuỗi bn n=1 n=1 hội tụ. Mệnh đề 1.11. Cho hai chuỗi bất kỳ i) Nếu ∞ P ii) Nếu n=1 ∞ P ∞ P an và n=1 |an | n→∞ bn bn hội tụ và lim < ∞ thì |an | n→∞ bn bn phân kỳ và lim n=1 ∞ P ∞ P bn với bn > 0. Khi đó n=1 an hội tụ. n=1 ∞ P > 0 thì an phân kỳ. n=1 1.3.4 Dấu hiệu hội tụ của chuỗi số dương ∞ P Cho an là chuỗi số dương. n=1 Mệnh đề 1.12 (Dấu hiệu Cauchy). Giả sử tồn tại lim √ n n→∞ an = c. Khi đó nếu c > 1 thì chuỗi phân kỳ, c < 1 thì chuỗi hội tụ. an+1 = d. Khi n→∞ an đó nếu d > 1 thì chuỗi phân kỳ, d < 1 thì chuỗi hội tụ.
an Mệnh đề 1.14 (Dấu hiệu Raabe). Giả sử tồn tại lim n − 1 = r. n→∞ an+1 Khi đó nếu r > 1 thì chuỗi hội tụ, r < 1 thì chuỗi phân kỳ. Mệnh đề 1.13 (Dấu hiệu D0 lambert). Giả sử tồn tại lim 1.3.5 Chuỗi đan dấu và dấu hiệu Leibniz Chuỗi có dạng ∞ X (−1)n an , (1.2) n=1 trong đó an > 0 với mọi n được gọi là chuỗi đan dấu. Mệnh đề 1.15 (Dấu hiệu Leibniz). Nếu dãy (an ) là đơn điệu giảm, hội tụ về 0 thì chuỗi đan dấu (1.2) hội tụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 1.3.6 Dấu hiệu Dirichlet và Abel Mệnh đề 1.16 (Dấu hiệu Dirichlet). Giả sử rằng ∞ P i) Dãy tổng riêng (Sn ) của chuỗi an là bị chặn; n=1 ii) Dãy (bn ) là dãy đơn điệu giảm dần về 0. ∞ P Khi đó chuỗi an bn là hội tụ. n=1 Mệnh đề 1.17 (Dấu hiệu Abel). Giả sử rằng ∞ P an là hội tụ; i) Dãy tổng riêng (Sn ) của chuỗi n=1 ii) Dãy (bn ) là đơn điệu và bị chặn. ∞ P Khi đó chuỗi an bn là hội tụ. n=1 1.4 1.4.1 Ứng dụng Maple trong thực hành tính toán chương 1 Giới thiệu về phần mềm Maple Việc cài đặt Maple 13 được thực hiện đơn giản bằng cách cho chạy file Setup.exe có sẵn trong bộ chương trình cài đặt và thực hiện các khai báo theo đúng trình tự. Khi Maple đã được cài đặt đúng quy trình, việc khởi động Maple cũng đơn giản giống như khởi động các chương trình ứng dụng khác trên Windows: ta có thể chọn Start → Programs → Maple 13 → Maple 13 hoặc nháy đúp chuột vào biểu tượng của Maple 13 trên màn hình: Hình 1.1: Biểu tượng chương trình Maple 13. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Khi đó màn hình làm việc của Maple sẽ xuất hiện. Giao diện của Maple 13 gồm các thành phần cơ bản như sau: Hình 1.2: Giao diện của Maple 13. Những thao tác cơ bản như quản lý các file hay định dạng các đối tượng. . . trong Maple 13 hoàn toàn tương tự các phần mềm quen thuộc: Word, Excell. Để tìm hiểu đầy đủ, chi tiết hơn về giao diện, môi trường làm việc cũng như các lệnh của Maple có thể xem trong [2] hoặc [4]. Cụm xử lý (Execution Group) Cụm xử lý là thành phần tính toán cơ bản trong môi trường làm việc của Maple, có thể bao gồm các đối tượng cơ bản của Maple như lệnh, kết quả tính toán, đồ thị . . . . Có thể dễ dàng nhận biết một cụm xử lý bằng dấu ngoặc vuông bên trái dấu nhắc lệnh của Maple. Để tạo một cụm xử lý mới, ta kích chuột vào biểu tượng ”[> ” trên thanh công cụ hoặc chọn Insert → Execution Group → After Cursor (Ctrl+J). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Lệnh và kết quả của Maple Lệnh của Maple (Maple Input) là những từ tựa tiếng Anh (gọi là từ khóa lệnh) được sử dụng theo một nghĩa nhất định và phải tuân theo cú pháp của Maple. Lệnh được nhập sau dấu nhắc lệnh ”[> ” và kết thúc bởi dấu ” : ” hoặc dấu ”; ”. Lệnh được thực hiện nếu ta ấn phím Enter khi con trỏ ở trong dòng lệnh. Nếu kết thúc lệnh bằng dấu ”; ” kết quả sẽ hiển thị ngay ra màn hình, còn nếu kết thúc bằng dấu ” : ” thì Maple vẫn tiến hành tính toán bình thường nhưng kết quả không hiển thị ra màn hình. Maple có hai dạng lệnh: lệnh trơ và lệnh trực tiếp, hai dạng lệnh này luôn đi theo cặp và cú pháp của chúng chỉ khác nhau ở chỗ chữ cái đầu tiên trong tên lệnh của lệnh trơ viết in hoa. Lệnh trực tiếp cho ta kết quả tính toán, còn lệnh trơ chỉ cho ta biểu thức tượng trưng. Kết quả của việc tính toán (Maple Output) hiện trên màn hình được ngầm định có màu xanh. Hình 1.3: Ví dụ về lệnh trơ, lệnh trực tiếp và kết quả. Mục (Section) Một trang làm việc (worksheet) trong Maple thường bao gồm nhiều mục, mỗi mục có thể chứa những đoạn (paragraph) và những mục con (subsection). Một mục trong trang làm việc của Maple cũng tương tự như một mục trong các văn bản thông thường. Tuy nhiên điều đặc biệt là Maple có khả năng đóng gói: ta có thể mở một mục ra đọc hoặc gói lại khi đã đọc xong bằng cách kích chuột vào nút chỉ mục đứng ở đầu mục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Hình 1.4: Hình ảnh các mục đóng, mở trong Maple 13. Muốn đưa thêm một mục mới vào trang văn bản ta sử dụng chức năng Insert → Section. Muốn thêm một mục con trong một mục ta chọn Insert → Subsection. Siêu liên kết (Hyperlink) Một siêu liên kết là một đối tượng mà nếu ta kích hoạt vào đó thì con trỏ sẽ được di chuyển đến một đoạn, một mục hay một trang làm việc khác. Để tạo siêu liên kết ta đưa con trỏ đến vị trí đặt siêu liên kết rồi chọn Insert → Hyperlink. Trong hộp thoại Hyperlink Properties, nhập nhóm kí tự đại diện vào ô Link Text hoặc chọn nút check box Image rồi kích chuột vào nút lệnh Choose Image . . .để chọn hình ảnh đại diện cho Hyperlink; Tại hộp cuốn Type, chọn Worksheet sau đó nhập tên file cần liên kết tới vào ô Target, hoặc chọn nút lệnh Browse. . . để duyệt tìm file. Nhập tên của bookmark (nếu có) vào ô Bookmark. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 Một số quy ước, kí hiệu trong Maple • Các phép toán số học: phép cộng (+), phép trừ (−), phép nhân (∗), phép chia (/), phép lũy thừa (∧) được viết trực tiếp vào dòng lệnh và thực hiện theo thứ tự quen biết. • Cách viết các hàm toán học: tên hàm(đối số), ví dụ sin(x), cos(x), . . . • Căn bậc hai của x: kí hiệu sqrt(x). • Hàm ex : kí hiệu exp(x). • Số π có thể dùng kí hiệu P i, số e được xem là một giá trị của hàm mũ exp(x) tại x = 1, tức là ta có thể viết exp(1) để biểu diễn hằng số e. Chú ý 1.4. Các lệnh của Maple rất phong phú, tuy nhiên ở đây chúng tôi chỉ giới thiệu một số lệnh cơ bản trong phạm vi ứng dụng khi làm việc với hàm số một biến. Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn về một lệnh nào đó, trên màn hình làm việc của Maple, ở chế độ gõ công thức toán (Math) hoặc sau dấu nhắc lệnh, ta chỉ cần gõ ? rồi ấn phím Enter, khi đó cú pháp đầy đủ của lệnh này sẽ được hiển thị. Ví dụ, khi muốn tìm hiểu về lệnh tính tích phân, ta gõ ?int rồi ấn phím Enter, hướng dẫn về lệnh sẽ hiển thị để trợ giúp cho người sử dụng. 1.4.2 Minh họa dãy số bằng lệnh vẽ dãy điểm Lệnh vẽ m phần tử đầu tiên của dãy số có số hạng tổng quát là an , mỗi phần tử được biểu diễn bởi dấu + (cross) có cú pháp như sau [> pointplot([seq([n, an ], n = 1..m)], symbol = cross); Chú ý 1.5. - Các tính toán với đồ họa thường yêu cầu bộ nhớ lớn, vì vậy trước tiên ta nên khởi tạo lại bộ nhớ bằng lệnh [> restart : - Trước khi dùng lệnh vẽ cần nạp gói chức năng chuyên dụng cho vẽ đồ thị bằng lệnh [> with(plots) : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn