TÍCH
PHÂN HÀM PHÂN THỨC HỮU TỈ CÓ MẪU LÀ ĐA THỨC BẬC CAO
Trong chuyên đề này, ta sẽ tìm hiểu các cách tính tích phân β∫αR(x)Q(x)dx với Q(x) có bậc cao hơn
3.
Lưu ý: Đối với hàm phân thức hữu tỷ
có bậc tử thấp hơn bậc mẫu tới hai bậc hoặc tinh ý nhận ra tính chất đặc biệt của
hàm số dưới dấu tích phân thì ta có cách giải ngắn gọn hơn.
Ví dụ 1.
Tính các tích phân sau .
a. 2∫1dxx(x4+1) b.
12∫0x2+1(x−1)3(x+3)dx
Giải
a. 2∫1dxx(x4+1) . Nếu theo cách phân tích bằng đồng
nhất hệ số hai tử số thì ta có :
f(x)=1x(x4+1)=Ax+Bx3+Cx2+Dx+Ex4+1=A(x4+1)+x(Bx3+Cx2+Dx+E)x(x4+1)
⇔f(x)=(A+B)x4+Cx3+Dx2+Ex + Ax(x4+1)⇒{+B=0C=0,D=0E=0A=1⇔{=1B=−1C=0,D=0,E=0⇒f(x)=1x−x3x4+1
Nhưng nếu ta tinh ý thì cách làm sau sẽ hay hơn .
Vì x và x3 cách nhau 3 bậc , mặt khác x∈[1;2]⇒x≠0. Cho nên ta nhân tử và mẫu với x3≠0. Khi đó f(x)=x3x4(x4+1). Mặt khác d(x4)=4x3dx⇔dt=4x3dx(t=x4), cho nên :
f(x)dx=133x3dxx4(x4+1)=13dtt(t+1)=13(1t−1t+1)=f(t). Bài toán trở nên đơn giản
hơn rất nhiều .
b. 12∫0x2+1(x−1)3(x+3)dx
Nhận xét :
* Nếu theo phương pháp chung thì ta làm như sau :
- f(x)=x2+1(x−1)3(x+3)=A(x−1)3+B(x−1)2+Cx−1+Dx+3
- Sau đó quy đồng mẫu số , đồng nhất hệ số hai tử số , ta có : A=12,B=38,C=−D=532
Do vậy : I=12∫0(12(x−1)3+38(x−1)2+532(x−1)−532(x+3))dx
=[−18(x−1)2−38(x−1)+532ln|x−1|−532ln|x+3|]|120=532ln128
Ví dụ 2.
Tính các tích phân sau :
a. 3∫2x4−1x6−1dx
b. 2∫1x2+1x6+1dx
c. 2∫1dxx(1+x4)
d. 1∫0x3(1+x2)3dx e. 1∫0x4+3x2+1(1+x2)3dx f. 1∫13(x−x3)13x4dx
Giải
a. 2∫1x4−1x6−1dx=2∫1(x4+x2+1(x2−1)(x4+x2+1)−x2+2[(x3)2−1])dx=3∫21x2−1dx+3∫2(x2[(x3)2−1]+1x3−1−1x3+1)dx
Tính J : J= artanx|32=artan3 - artan2.
Tính K . Đặt t=x3⇒{t=3x2dx,x=2→t=8;x=3→t=27g(x)dx=x2x3−1dx=13dt(t2−1)=1312(1t−1−1t+1)dt
Do đó : K=3∫2g(x)dx=1627∫8(1t−1−1t+1)dt=16(ln|t−1|−ln|t+1|)|278=16ln|t−1t+1||278=16ln11798
Tính E=3∫21x3−1dx=3∫21(x−1)(x2+x+1)dx
Ta có : h(x)=1(x−1)(x2+x+1)=x2−(x2−1)(x−1)(x2+x+1)=x2x3−1−x2−1(x−1)(x2+x+1)
=x2x3−1−(x−1)(x+1)(x−1)(x2+x+1)=x2x3−1−x+1x2+x+1=x2x3−1−12(2x+1x2+x+1+1x2+x+1)
Vậy : I=133∫23x2x3−1dx−123∫2(2x+1)x2+x+1dx−3∫21(x+12)2+(√32)2dx
=13ln(x3−1)|32−12ln(x2+x+1)|32−F=13ln289−12ln136−F(2)
Tính F: Đặt : x+12=√32tant⇒{x=√321cos2tdtx=2→tant=5√3→t=a;x=3→tant=10√3→t=b
Do đó F=b∫a√321cos2tdt√32(1+tan2t)=b∫adt=t|ba=b−a(tant = 5√3→t=a=artan5√3;b=artan10√3)
Thay vào (2) ta có kết quả .
b. 2∫1x2+1x6+1dx=1∫0x2+1(x2+1)(x4−x2+1)dx=2∫11(x2−1)2−x2dx=2∫11(x2+x+1)(x2−x+1)dx
Ta có : 1(x2+x+1)(x2−x+1)=Ax + Bx2+x+1+Cx+Dx2−x+1
=(A+C)x3+(B−A+C+D)x2+(A−B+C+D)x+(B+D)x4−x2+1
Đồng nhất hệ số hai tử số ta có hệ : {+C=0B−A+C+D=0A−B+C+D=0B+D=1⇔{=−C1−2C=0−B+D=0B+D=1⇔{=−12C=12D=12B=12
Vậy : I=12(2∫11−xx2+x+1dx+2∫1x+1x2−x+1dx)=12(J+K)(1)
Tính J=2∫1−x+1x2+x+1dx=−122∫12x+1−3x2+x+1dx
=−122∫12x+1x2+x+1dx+322∫11(x+12)2+(√32)2dx=−12ln|x2+x+1||21+E(2)
Tính E =322∫11(x+12)2+(√32)2dx, (đặt : x+12=√32tant)
Tính K
K=2∫1x+1x2−x+1dx=122∫12x−1+3x2−x+1dx=122∫12x−1x2−x+1dx+321∫01(x−12)2+(√32)2dx=12ln|x2−x+1||21+F(2)
Tính F=322∫11(x−12)2+(√32)2dx, (đặt x−12=√32tant)
c. 2∫1dxx(1+x4)=132∫13x3x4(1+x4)dx=132∫1(d(x4)x4−d(x4)1+x4)=13ln(x41+x4)|21=13ln3217
d. 1∫0x3(1+x2)3dx=121∫0x2(1+x2)32xdx(1). Đặt : t=1+x2⇒{=t−1;dt=2xdxx=0→t=1,x=1→t=2
Do đó I=2∫1t−1t3dt=2∫1(1t2−1t3)dt=(−1t+14t2)|21=1316
e. 1∫0x4+3x2+1(1+x2)3dx=1∫0((1+x2)2(1+x2)3+x2(1+x2)3)dx=1∫011+x2dx+1∫0x2(1+x2)3dx=J+K(1)
Tính J : Bằng cách đặt x=tant⇒J=π4
Tính K=1∫0(1(1+x2)2−1(1+x2)3)dx=E+F(2)
Tính E : Bằng cách đặt =tant↔{x=1cos2tdtx=0→t=0;x=1→t=π4
Vậy : E=121∫0(11+x2)2dx=12π4∫0(11+tan2t)21cos2tdt=12π4∫011cos4t1cos2tdt=12π4∫0cos2tdt
=14π4∫0(1+cos2t)dt=14(t+12sin2t)|π40=14(π4+12)=π+216
Tính F. Tương tự như tính E ;
Bằng cách đặt =tant↔{x=1cos2tdtx=0→t=0;x=1→t=π4
Vậy : F=121∫0(11+x2)3dx=12π4∫0(11+tan2t)31cos2tdt=12π4∫011cos6t1cos2tdt=12π4∫0cos4tdt
=18π4∫0(1+cos2t)2dt=18π4∫0(1+2cos2t+1+cos4t2)dt|π40=
116π4∫0(3+4cos2t+cos4t)dt=116(3t+2sin2t+14sin4t)|π40=116(3π4+2)=3π+864
f. 1∫13(x−x3)13x4dx=1∫13(x−x3x3)131x3dx=1∫13(1x2−1)131x2.dxx
Đặt : t=(1x2−1)⇒t+1=1x2⇔{t=−dxxx=13→t=8;x=1→t=0
Khi đó I=−0∫8t13(t+1)dt=8∫0(t43+t13)dt=(37t73+34t43)|80=37.27+34.24=16(247+34)=4687
Ví dụ 3.
Tính các tích phân sau
a.e1p+2∫1xp2xp+2+1dx
b. a∫0x3dx(x2+a2)32
c. 1∫0ex+exdx
d.
2a∫0x√2ax−x2dx
Giải
a. e1p+2∫1xp2xp+2+1dx : Ta có :
f(x)dx=xp2dx(xp+22)2+1.
- Đặt : t=xp+22=xp2+1⇒[t=xp2dxx=1→t=1;x=e1p+2→t=√e⇔I=√e∫1dtt2+1
- Đặt : t=tanu⇒[t=ducos2ut=1→u=π4,t=e12→u=u1⇔I=u1∫π4ducos2u(1+tan2u)=u1∫π4du=π4−u1
- Từ : tanu=√e⇒u=u1=artan√e⇔I=π4−artan√e
b. a∫0x3dx(x2+a2)32.
Đặt : x=atant⇒{dtcos2t;x=0→t=0,x=a→t=π4f(x)=x3dx(x2+a2)32=a3tan3ta3(1cos2t)32adtcos2t=acost.tan3tdt
Vậy : I=a∫0f(x)dx=π4∫0acost.tan3tdt=π4∫0acost.sin3tcos3tdt=π4∫0a.sin3tcos2tdt=aπ4∫0(1−cos2t)sintcos2tdt
- Đặt : cost = u⇒{u=−sintdt;t = π4→u=1√2;t=0→u=1f(t)dt=(1−u2)u2(−du)=(1−1u2)du
Vậy : I=√22∫1(1−1u2)du=(u+1u)|√221=√22+2√2−2=3√2−2=3√22−2=3√2−42
c. 1∫0ex+exdx=1∫0exeexdx. Đặt : t=ex⇒{t=exdx;x=0→t=1;x=1→t=ef(x)dx=exeexdx=etdt
Vậy : I=1∫0f(x)dx=e∫1etdt=et|e1=ee−e
d. 2a∫0x√2ax−x2dx=2a∫0x√a2−(x−a)2dx
Đặt : x−a=a.sint⇒{x=a.costdt,x = 0→t = - π2;x = 2a→t = π2f(x)dx=(a+a.sint)√a2cos2t.a.costdt
Vậy : I=a3π2∫−π2(1+sint)cos2tdt=a3[π2∫−π2cos2tdt+π2∫−π2cos2tsintdt]=a3[π2∫−π21+cos2t2dt−π2∫−π2cos2td(cost)]
=a3[12(t+12sin2t)|π2−π2−13cos3t|π2−π2]=a3[12(π2+π2)]=a3π2
Ví dụ 4.
Tính các tích phân sau
a. 3∫2dxx5−x2
b.
1∫0x7dx(1+x4)2
c. 1∫0x3−2x(x2+1)2dx
d. 2∫1√1+x3x4dx
Giải
a. 3∫2dxx5−x2=3∫21x2(x−1)(x2+x+1)dx(1)
Xét : f(x)=1x2(x−1)(x2+x+1)=Ax2+Bx+Cx+Dx2+x+1+Ex−1
=A(x2+x+1)(x−1)+Bx(x−1)(x2+x+1)+(Cx+D)x2(x−1)+E(x2+x+1)x2x2(x−1)(x2+x+1)
=(B+C+E)x4+(A+D−C+E)x3+(E−D)x2−Bx−Ax2(x−1)(x2+x+1).
Đồng nhất hệ số hai tử số ta có hệ :
{+C+E=0A+D−C+E=0E−D=0B=0A=−1⇔{=−EE+E+E=1B=0E=DA=−1⇔{=13C=−13B=0E=13A=−1⇒f(x)=−1x2+−13x+13x2+x+1+13x−1
Vậy : I=3∫2(−1x2+−13x+13x2+x+1+13x−1)dx=3∫2(−1x2−13(x−1x2+x+1)+131(x−1))dx
=(1x−16ln|x2+x+1|+13ln|x−1|)|32−3∫2dx(x+12)2+(√32)2=(1x+16ln(x−1)2x2+x+1+1√3arctan2x + 1√3)|32=16+1√3(arctan7√3−arctan5√3)
b. 1∫0x7dx(1+x4)2=131∫0x4(1+x4)23x3dx(1).
Đặt : t=1+x4⇒{t=3x3dx,x=0→t=1;x=1→t=2f(x)dx=13(t−1t2)dt=13(1t−1t2)dt
Vậy : I=2∫013(1t−1t2)dt=13(ln|t|+1t)|21=13(ln2−12)
c. 1∫0x3−2x(x2+1)2dx=121∫0(x2−2)(x2+1)22xdx(1)
Đặt : t=1+x2⇔x2−2=t−3⇒{t=2xdx;x=0→t=1;x=1→t=2f(x)dx=12(t−3t2)dt=12(1t−3t2)dt
Vậy : I=2∫112(1t−3t2)dt=12(ln|t|+3t)|21=12(ln2−32)
d. 2∫1√1+x3x4dx=2∫1√1+x3x6x2dx(1).
Đặt : t=√1+x3↔t2=1+x3↔{tdt=3x2dx;x=1→t=√2,x=2→t=3f(x)dx=13√1+x3x63x2dx=13t(t2−1)22tdt=23t2(t2−1)2dt
Vậy : I=233∫√2(1t+1+12(1t−1−1t+1))2dt=23[3∫√214(1t+1−1t−1)2]
=163∫√2(1(t+1)2+1(t−1)2−(1t−1−1t+1))dt
=16[−1t+1−1t−1−ln|t−1t+1|]|3√2=16(−2t(t2−1)−ln|t−1t+1|)|3√2=8√2−324+13ln(2√2−2)
Ví dụ 5.
Tính các tích phân sau :
a. 4∫√7dxx√x2+9
b. 1∫0(x2−x)dx√x2+1
c. √3∫0x5−2x3√x2+1dx
d. 1∫0√(1−x2)3dx
Giải
a. 4∫√7dxx√x2+9=4∫√7xdxx2√x2+9(1).
Đặt : t=√x2+9⇒{=x2+9↔tdt=xdx,x2=t2−9x=√7→t=4,x=4→t=5. Do đó : I=5∫4dtt(t2−9)=5∫4dtt(t−3)(t+3)
Ta có : f(t)=1t(t−3)(t+3)=At+Bt−3+Ct+3=A(t2−9)+Bt(t+3)+C(t−3)tt(t2−9)
Đồng nhất hệ số hai tử số bằng cách thay lần lượt các nghiệm vào hai tử số ta
có :
- Với x=0 : -9A=1 →A=−19
- Với x=-3 : 9C=1 →C=19
- Với x=3 : 9B=1 →B=19
Vậy : I=19[5∫4(−1t+1t−3+1t+3)dt]=19[ln(t2−9)−lnt]|54=19lnt2−9t|54=19ln14435
Chú ý : Nếu theo phương pháp chung
thì đặt : x=3sint→dx=3costdt.
Khi : {=√7→√7=3sint↔sint=√73x=4→4=3sint↔sint=43>1. Như vậy ta không sử dụng được phương pháp này được
.
b. 1∫0(x2−x)dx√x2+1=1∫0x2√x2+1dx−1∫0x√x2+1dx=J−K(1)
* Để tính J :
Đặt : x=tant⇒{x=1cos2tdt,x=0→t=0;x=1→t=π4f(x)dx=tan2t.1cos2tdt√1+tan2t=tan2tcostdt. Tính tích phân này không đơn giản , vì vậy ta phải
có cách khác .
- Từ : g(x)=x2√x2+1=x2+1−1√x2+1=√x2+1−1√x2+1⇒1∫0g(x)dx=1∫0√x2+1dx−1∫01√x2+1dx
- Hai tích phân này đều tính được .
+/ Tính : E=1∫0√x2+1dx=x√x2+1|10−1∫0x2√x2+1dx=√2−(1∫0√x2+1dx−1∫01√x2+1dx)
=√2−E+ln|x+√x2+1||10⇒2E=√2+ln(1+√2)⇔E=√22+12ln(1+√2)
* Tính K=1∫0x√x2+1dx=√x2+1|10=√2−1; 1∫01√x2+1dx=ln|x+√x2+1||10=ln(1+√2)
Do vậy : I=√22+12ln(1+√2)+ln(1+√2)=√22+32ln(1+√2)
c. √3∫0x5−2x3√x2+1dx=√3∫0x5√x2+1dx−2√3∫0x3√x2+1dx=J−K(1)
- Tính J: Đặt t=√x2+1⇒{=t2−1;xdx=tdt;x=0→t=1,x=√3→t=2f(x)dx=x4xdx√x2+1=(t2−1)2tdtt=(t4−2t2+1)dt
Suy ra : J=2∫1(t4−2t2+1)dt=(15t5−23t3+t)|21=3815
- Tính K: Đặt t=√x2+1⇒{=t2−1;xdx=tdt;x=0→t=1,x=√3→t=2f(x)dx=x2xdx√x2+1=(t2−1)tdtt=(t2−1)dt
Suy ra : K= 2∫1(t2−1)dt=(13t3−t)|21=43
Vậy : I=2815+43=4815=165
d. 1∫0√(1−x2)3dx. Đặt : x=sint→{x=costdt. x = 0→t = 0;x = 1→t = π2f(x)dx=√(1−x2)3dx=√cos6tcostdt =
cos4tdt
Do đó I=π2∫0(1−cos2t2)2dt=14π2∫0(1−2cos2t+1+cos4t2)dt=π2∫0(34−12cos2t + 18cos4t)dt
=(34t−14sin2t+132sin4t)|π20=3π8