Bỏ qua nội dung

C.11 · Integration by parts, order reversal and symmetry

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Chủ đề 29

29

Phạm vi và yêu cầu tiên quyết

Chuẩn bị GRE đại học. Mục tiêu cục bộ nằm trong phạm vi ETS đã xem xét; đây là giảng dạy nguyên bản, không phải bài thi chính thức hoặc dự đoán điểm số.

Tiền đề: Quy tắc đạo hàm, giới hạn vô cực và miền tích phân phẳng.

  • Derive integration-by-parts reductions with valid endpoint limits
  • Reverse a double integral by reconstructing its region
  • Use reflection symmetry while checking removable endpoint behaviour

tích phân theo phần: Một đẳng thức tích phân được suy ra từ quy tắc đạo hàm của tích, kèm theo số hạng biên.

tính đối xứng qua phản xạ: Mối liên hệ giữa các giá trị của hàm dưới dấu tích phân tại các điểm đối xứng qua trung điểm của một khoảng.

Từ vựng Luyện tập
English Tiếng Việt
integration by parts/ˌɪntɪˈɡreɪʃn baɪ pɑːts/ tích phân từng phần
reflection symmetry/rɪˈflekʃn ˈsɪmətri/ đối xứng phản xạ
29

Chọn và biện minh cho một phương pháp

Tích phân theo phần xuất phát từ quy tắc đạo hàm của tích: ∫u dv=uv−∫v du. Đối với tích phân xác định, cần bao gồm cả số hạng biên ở hai đầu. Với I_n(x)=∫₁ˣ(ln t)^n dt, chọn u=(ln t)^n và dv=dt. Với n≥1, biên dưới triệt tiêu, dẫn đến I_n=x(ln x)^n−n I_(n−1). Dấu cộng sẽ vi phạm đẳng thức đã đạo hàm. Giữ nguyên giới hạn dưới trong công thức truy hồi; thay đổi nó sẽ làm thay đổi các hằng số.

Đối với tích phân bất thường, trước tiên áp dụng đẳng thức trên các biên hữu hạn, sau đó chứng minh tính hợp lý của biên giới hạn và tích phân còn lại. Nếu ∫₋∞^∞e^(−x²)dx=√π, đặt u=x và dv=x e^(−x²)dx cho ∫x²e^(−x²)dx. Vì v=−e^(−x²)/2 và x e^(−x²)→0 tại vô cùng hai phía, moment bậc hai toàn phần là √π/2. Tính chẵn lẻ mang lại moment nửa đường thẳng dương là √π/4. Số hạng biên triệt tiêu là một phần của lập luận, không phải là thuộc tính tự động của mọi tích phân bất thường.

To reverse ∫₀¹∫ₓ¹F(x,y)dy dx, describe the triangle 0≤x≤y≤1, then rewrite it as ∫₀¹integral from 0 to yF(x,y)dx dy. Both the outer interval and inner bounds change; swapping symbols alone changes the region. For F=e^(y²), integrating over x first gives ∫₀¹y e^(y²)dy=(e−1)/2. Continuity on this compact triangle makes order reversal valid; singular or conditionally convergent cases require stronger care.

Nếu một hàm khả tích trên [a,b] thỏa mãn f(a+b−x)=−f(x), phản xạ khiến tích phân của nó bằng nghịch đảo của chính nó, do đó bằng 0. Với sin(2mx)/sin x trên [0,π] với m là số nguyên dương, phản xạ x↦π−x đổi dấu tử số nhưng giữ nguyên mẫu số. Các kỳ dị apparent tại biên có thể loại bỏ được: giới hạn là 2m tại 0 và −2m tại π. Kiểm tra các giới hạn này trước khi invoked đối xứng; sự triệt tiêu không thay thế cho tính khả tích.

29

Ví dụ giải thích chi tiết

Đối với I₂(x)=∫₁ˣ(ln t)²dt, công thức truy hồi cho x(ln x)²−2I₁(x), với I₁(x)=x ln x−x+1. Do đó I₂=x[(ln x)²−2ln x+2]−2. Hằng số −2 đảm bảo I₂(1)=0. Riêng biệt, đảo ngược tích phân tam giác e^(y²) tạo ra thừa số y từ độ dài x bên trong; việc bỏ qua thừa số này sẽ khôi phục lại mức độ khó ban đầu và thay đổi giá trị.

Left: a triangle in the xy-plane, where at y = 0.7 the variable x runs from 0 to 0.7. Right: sin(4x)/sin(x) from 0 to π, antisymmetric about π/2
Đổi thứ tự tích phân bằng cách đọc giới hạn từ cùng một vùng; tính đối xứng có thể làm cho tích phân bằng không
29

Điều kiện và phản ví dụ

Tích phân từng phần không xác định cần các giới hạn tại điểm biên. Tái xây dựng miền trước khi đảo thứ tự. Một hàm bị phản xạ trông kỳ lạ phải khả tích, bao gồm cả các điểm biên có thể loại bỏ.

29

Ứng dụng hướng dẫn

Tính $\int_0^1\int_x^1 e^{y^2}\,dy\,dx$ bằng cách đảo thứ tự. Mô tả vùng trước và sau khi đảo thứ tự. Suy ra công thức cho $I_2(x)=\int_1^x(\ln t)^2\,dt$, $x>0$.

Giải mẫu

The region is $0\le x\le y\le1$. In the reversed order, y ranges from zero to one and x from zero to y. Continuity on the compact triangle permits order reversal, giving $\int_0^1 ye^{y^2}\,dy=(e-1)/2$. Tích phân theo phần với $u=(\ln t)^2$, $dv=dt$ cho $I_2=x(\ln x)^2-2I_1$. Vì $I_1=x\ln x-x+1$,

$$I_2=x[(\ln x)^2-2\ln x+2]-2.$$
Vi phân kiểm tra hàm dưới dấu tích phân; thay x=1 để kiểm tra hằng số.

29

Chuyển giao độc lập

Với số nguyên dương m, tính $\int_0^{\pi}\sin(2mx)/\sin x\,dx$. Chứng minh tính khả tích tại biên trước khi invoked đối xứng.

Kiểm tra sau khi đã làm

Các giới hạn biên là 2m tại 0 và -2m tại pi, theo giới hạn sin bậc nhất. Cả hai kỳ dị đều có thể loại bỏ được, nên hàm dưới dấu tích phân mở rộng liên tục là khả tích. Phản xạ $x\mapsto\pi-x$ giữ nguyên mẫu số và đảo dấu tử số. Tích phân bằng nghịch đảo của chính nó và vì vậy bằng 0. Sự triệt tiêu đối xứng sẽ không thiết lập hội tụ cho một điểm biên thực sự phân kỳ; các giới hạn có thể loại bỏ được là yếu tố then chốt.

Bài học tương tác về chủ đề này

Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.

Nhiều chủ đề hơn trong GRE Subject Test · GRE Mathematics

Đăng nhập hoặc tạo tài khoản

IGCSE, A-Level & AP