Giáo trình Toán cao cấp (Mới)
1.1. Tập hợp
1.1.1. Khái niệm
Tập hợp đƣợc xem là một khái niệm ban đầu của toán học, đƣợc hiểu một cách trực
giác không định nghĩa. Tuy nhiên ta có thể hiểu tổng quát nhƣ sau:
Tập hợp là một sự tụ tập của một số hữu hạn hoặc vô hạn các đối tƣợng xác định
nào đó.
Mỗi đối tƣợng cấu thành tập hợp là một phần tử của tập hợp.
Ví dụ 1. Tất cả những ngƣời Việt Nam trên thế giới tạo thành tập hợp ngƣời Việt
Nam. Mỗi ngƣời Việt Nam là một phần tử của tập hợp đó.
Ví dụ 2. Tất cả những sinh viên của trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định
tạo thành tập hợp các sinh viên của trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định.
Ví dụ 3. Tất cả các điểm trong không gian tạo thành tập hợp điểm trong không gian.
Mỗi điểm là một phần tử của tập hợp đó.
Nếu x là một phần tử của tập X ta nói “x thuộc X” và viết x X
Nếu x không là một phần tử của tập X ta nói “x không thuộc X” và viết x X
Cách mô tả một tập hợp
Để mô tả một tập hợp ta thƣờng dùng hai cách sau đây:
Cách 1: Liệt kê các phần tử của tập hợp đó.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Toán cao cấp (Mới)
s 27 s 195 2 s 4 Giải hệ này bằng quy tắc Cramer ta đƣợc 30s 45 s 3 2 s Xs s2 1 s 2 9 s 1 s 2 4 30ss 60 3 2 Ys s2 9 s 2 1 s 1 s 2 4 Lấy biến đổi Laplace ngƣợc ta đƣợc nghiệm của hệ là: x t 30cos t 15sin3 t 3 e t 2cos 2 t t y t 30cos3 t 60sin t 3 e sin 2 t x t y t 0 Ví dụ 6. Tìm nghiệm tổng quát của hệ y t x t 0 Giải Để tìm nghiệm tổng quát của hệ phƣơng trình ta giả sử x(0) C12 ; y (0) C Lấy biến đổi Laplace hai vế của các phƣơng trình ta đƣợc hệ sX s Y s C1 X s sY s C2 Giải hệ này ta đƣợc C s C Xs 12 s2 1 C s C Ys 12 s2 1 Lấy biến đổi Laplace ngƣợc ta đƣợc nghiệm của hệ là: x t C12cos t C sin t y t C21cos t C sin t y ( t ) z ( t ) y ( t ) z ( t ) 1 Ví dụ 7. Giải hệ phƣơng trình t y ()() t z t e với điều kiện ban đầu yz(0) 1, (0) 2 Giải Lấy biến đổi Laplace hai vế của các phƣơng trình ta đƣợc hệ 1 sL y( t ) 1 sL z ( t ) 2 L y ( t ) L z ( t ) s 1 sL y(() t) 1 L z t s 1 130 Giáo trình Toán cao cấp Giải hệ trên ta đƣợc ss2 1 1 2 1 L y() t s( s 1)22 s s 1 ( s 1) y( t ) 1 2 ett te và z( t ) et y ( t ) 2 e t te t y( t ) 1 2 ett te Vậy nghiệm của bài toán là : tt z( t ) 2 e te . 3.4. Bài tập chƣơng 4 1. Tìm biến đổi Laplace của các hàm sau: a) 2e4t b) 53t c) 2te2 t d) 3cos5t 2. Tìm biến đổi Laplace của các hàm sau: a) te32 t b) et t cos2 c) 3t43 2 t 2sin5 t d) 4t2 3cos2 t 5 e t 1 e) 2t22 et sin3 t 3 g) 2t e2t sin t 2ttnÕu 0 1 3. Cho ft ttnÕu 1 a) Vẽ đồ thị của ft() b) Tìm L f t c) Tìm L f t ss2 1 4. Cho L f t 2 . Hãy tìm L f 2 t . 2ss 1 1 1 e s 5. Cho L f t . Hãy tìm L e t f 3 t s 6. Tìm biến đổi Laplace ngƣợc của các hàm sau: 21s a) ss 1 131 Giáo trình Toán cao cấp 38s b) 4s2 25 32s c) 4ss2 12 9 2 d) s ss2 22 g) 32s 4ss2 12 9 7. Dùng phƣơng pháp khai triển Heaviside tìm biến đổi Laplace ngƣợc của các hàm sau: 2s 11 a) ss 23 19s 37 b) s 1 s 2 s 3 s 5 c) ss 11 2 8. Dùng phƣơng pháp khai triển Heaviside tìm biến đổi Laplace ngƣợc của các hàm sau: 2ss2 9 19 a) ss 13 2 23s b) ss 12 22 11s32 47 s 56 s 4 c) ss 22 3 9. Giải các phƣơng trình vi phân sau: a) y 9 y cos2; t y 0 1, y 0 1 b) y 4 y 9 t ; y 0 1, y 0 7 c) y 3 y et ; y 0 y 0 y 0 0 10. Giải các phƣơng trình vi phân sau: a) y 3 y 2 y 412;06, t e t y y 0 1 b) y 4 y 5 y 125 t2 ; y 0 y 0 0 c) y 43 2 y y sin t ; y 0 y 0 y 0 y 0 0 11. Giải các hệ phƣơng trình vi phân sau: 132 Giáo trình Toán cao cấp x 30 x y a) với yx 0 0 0 y x y 0 x 3 x 4 y 9 e2t xy0 2; 0 0 b) 2t với 2x y 3 y 3 e 12. Giải các hệ phƣơng trình vi phân sau: x 24 x y cost a) với xy 0 0 0 y x 2 y sint y x 22 y x sint b) với x 0 y 0 y 0 0 y 20 x y x 2 y e t c) với x 0 y 0 y 0 0 x 21 x y 13. Cho hàm ft() có đồ thị Hình 3.10. Hàm sóng vuông Viết phƣơng trình của ft() và tìm L f t 14. Cho hàm ft() có đồ thị Hình 3.11. Hàm sóng răng cưa Viết phƣơng trình của ft() và tìm L f t 15. Cho hàm ft() có đồ thị 133 Giáo trình Toán cao cấp Hình 3.12. Hàm sóng tam giác Viết phƣơng trình của ft() và tìm L f t 16. Cho hàm ft() có đồ thị Hình 3.13. Hàm sóng chữ nhật Viết phƣơng trình của ft() và tìm L f t 17. Cho hàm ft() có đồ thị Hình 3.14. Hàm sóng tự do Viết phƣơng trình của ft() và tìm L f t 18. Xác định Fs() của các hàm ft() sau: a) f t 52 e 9t e t e t u t b) f t 51 e tt e u t c) f t u t 21 u t 19. Tìm biến đổi Laplace của các hàm sau: a) 10 t 4 b) 2 t 15 t u t 134 Giáo trình Toán cao cấp d c) e t u t dt d d) e t cos2 t u t dt Hƣớng dẫn giải một số bài 20) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t2 3cos2 t sin3 t Giải 2 2 s 3 2 3s 3 Lt 3 ; L cos2 t 2 ; Lt sin3 2 ; L f t 3 2 2 s s 4 s 9 s s 49 s Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'' y ' y cos t sin t ; y 0 y '(0) 1 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ta đƣợc phƣơng trình ảnh là s 1 Ys s2 1 s 1 Ys ss22 11 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc y(t) = cost + sin t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : y(t) = cost + sin t 21. 1 a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t22 4 et sin3 t 3 Giải 3 1 ; Lt sin3 ; Le 2t s2 9 s 2 2 4 1 Vậy L f t ss32s 2 9 Điều kiện chung : s > 2 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình y'' y t ; y 0 y '(0) 0 Giải 135 Giáo trình Toán cao cấp Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 Ys 22 ss( 1) 11 Ys ss22 1 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc y(t) = t - sin t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : y(t) = t - sin t 22. 1 a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t 5 t23 2 t cos2 t e t 3 Giải 236 12 s 1 t 1 1 L 3 t 34 ; L 2 t ; L cos2 t 2 ; Le ss s 4 3 3s 1 6 12s 1 1 Vậy L f t s3 s 4 s 2 4 31s Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'' y ' y t 1 ; y (0) 0, y ' 0 1 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 2 1 s Y s ( s s 1) 2 1 s 1 Ys s2 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc y(t) = t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : y(t) = t 23. a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t 2 t e2t sin t Giải 2 1 2t 1 Lt 2 2 ; Lt sin 2 ; Le s s 1 s 2 2 1 1 L f t ss22s 2 1 Điều kiện chung : s > 2 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: 136 Giáo trình Toán cao cấp y'' y t ; y 0 1, y ' 0 2 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình, và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 13s s2 Y s s 2 Y s Ys s2 s2 s 2 11 s 2 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc y t t cos t 3sin t Vậy nghiệm của phƣơng trình là 24. a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t2 e t cos2 t Giải 2 2 s t ss 11 Lt 3 ; Lt cos 2 2 L e cos2 t 22 s s 4 s 14 2 ss 2 17 s 12 Vậy L f t s23 2 s 17 s Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình y''4'5 y y 3; y 0 0,'0 y 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình, và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 3 Ys s( s 1)( s 5) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 3 1 1 y t ett e 5 5 2 10 Vậy nghiệm của phƣơng trình là : 25. a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t sin 4 t e t .cos t 1 4 t s 1 Lt ; Lt sin 4 ; L e cos t 2 s2 s2 16 (s 1) 1 1 4s 1 Vậy L f t s2 s 2 16 ( s 1) 2 1 Điều kiện chung : s > 0 137 Giáo trình Toán cao cấp b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y''2' y y te t ;0 y 0,'01 y Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 11 s2 Y s 12 sY s Y s Ys s 1 2 ss 11 42 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 y t t3 e tt te 6 Vậy nghiệm của phƣơng trình là : 27. Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t23 ett e sin t Giải 23t 2 1 t 1 2 1 1 L t e 3 ; Lt sin 2 ; Le L f t 32 s 3 s 1 s 1 s 3 s 1 s 1 Điều kiện chung : s > 3 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: 2y ' y 4 ; y 0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình, và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 4 Ys ss(2 1) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 4 y t L ss(2 1) 1 4 1 4 1 8 LLL s(2 s 1) s 2 s 1 1 t Suy ra y t 44 e2 Vậy nghiệm của phƣơng trình là y t t cos t 3sin t 28. 1 t a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t 3 t4 2sin5 t te2 Giải 138 Giáo trình Toán cao cấp 1 t 4 72 10 2 1 Lt 3 5 ; Lt 2sin5 2 ; L te 2 s s 25 1 s 2 72 10 1 Vậy L f t 5 2 2 ss 25 1 s 2 Điều kiện chung : s > 1/2 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'' y 1 ; y 0 1, y ' 0 2 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 12 Ys s s2 1 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 12 y t L = 1+2sint s s2 1 Vậy nghiệm của phƣơng trình là y t t cos t 3sin t 29. a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t2 e 3t e 2 t.sin 4 t e t .cos4 t Giải 23t 2 2t 44 t s 1 L t e 3 ; L esin 4 t 22 ; L ecos2 t 2 s 3 s 2 16 ss 4 20 ss 25 2 4s 1 Vậy L f t (s 3)3 s 2 4 s 20 s 2 2 s 5 Điều kiện chung : s > 3 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: 2y ' y t ; y 0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 Ys ss2 (2 1) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 1 y t L 2 ss(2 1) 139 Giáo trình Toán cao cấp t/2 yt 2e - t - 2 Vậy nghiệm của phƣơng trình là y t t cos t 3sin t 30. a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t 3 t23 t e t c os3 t Giải 2 6 3 t 6 s Lt 3 3 ; L t e 4 ; L cos3 t 2 s s 1 s 9 66 s Vậy L f t s34 s 1 s2 9 Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'' 2 y ' y te2t ; y 0 y ' 0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 Ys (ss 1)22 ( 2) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 1 y t L 22 (ss 1) ( 2) et(t+2) + e2t(t-2) Vậy nghiệm của phƣơng trình là : et(t+2) + e2t(t-2) 31. 1 a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t 3 t43 t e t c os2 t 3 Giải 4 72 3 6 s 1 t 1 1 Lt 3 5 , Lt 4 ; L cos2 t 2 ; Le s s s 4 3 3s 1 72 6 1 s Vậy L f t s5 s 431 s s 2 4 Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y''3'2 y y 1; y 0 0,'0 y 0 Giải 140 Giáo trình Toán cao cấp Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 Ys s( s 1)( s 2) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 1 y t L s( s 1)( s 2) t 2t yt 1/2 –e +1/2e Vậy nghiệm của phƣơng trình là : 1/2 –et +1/2e2t 32. 3 a) Tìm biến đổi laplace của hàm : f t t23 e tt e cos2 t 2 Giải 2 t 2 33 3t s L t e 3 ; Le ; L cos2 t s 1 2 2s 6 s2 4 23s Vậy L f t s 1 3226s s 4 Điều kiện chung : s > 0 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y''3'2 y y 8 e 2t ; y 0 0,'0 y 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 8 Ys (s 2)( s 1)( s 2) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 1 y t L (s 2)( s 1)( s 2) -8/3 et + 2e2t + 2/3e-2t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : -8/3 et + 2e2t + 2/3e-2t 33. 43s 1 a) Tìm biến đổi Laplace ngƣợc của hàm: Fs - s 2 s2 16 s2 Giải 4 3s 1 Le 12 4 t Lt 1 3cos4 Lt 1 ; 2 ; 2 s 2 s 16 s 141 Giáo trình Toán cao cấp Vậy L 12 F s 4 et 3cos4 t -t b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'''3''3' y y y te t ; y 0 0,'0 y y ''0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 1 sYs32 33 sYs sYs Ys Ys s 1 2 s 1 5 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc 1 1 1 4 t y(t) = L 5 y t t e (s 1) 24 Vậy nghiệm của phƣơng trình là 34. 1 a) Tìm biến đổi Laplace ngƣợc của hàm : Fs ss2 25 Giải 11 11 Có Fs ; F s 1 L 1 F s 1 sin 2 t ss22 25 s 12 2 s2 4 2 Áp dụng tính chất dời thứ nhất,suy ra: 1 L 1 F s et sin 2 t 2 b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y''2'2 y y 2 t 2; y 0 0,'0 y 1 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 22s 1 s2 Y s 2 sY s 2 Y s 1 Ys s2 s2 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc: y t t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : 35. a) Tìm biến đổi Laplace ngƣợc của hàm : 1 s 1 Fs 2 + 2 s 1 s 4 s 1 Giải 142 Giáo trình Toán cao cấp 1 1 t 1 s 1 1 Le ; Lt cos2 ; Lt sin s 1 s2 4 s2 1 Vậy L 1 F s et cos2 t + sint b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y''' 4 y ' 1; y 0 0, y ' 0 y '' 0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 1 s3 Y s 4 sY s Suy ra Y(s) = s ss22( 4) 1 1 1 1 Ys 44ss22 4 Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc: 11 11 y t L 22 L 4ss 4( 4) 11 Vậy nghiệm của phƣơng trình là y t tsin 2 t 48 36. a) Tìm biến đổi Laplace ngƣợc của hàm : 11 s Fs + 2 ss 21s 4 Giải 12 1 t 1 1 t Le ; Le ; s 2 s 1 Vậy L 12 F s ett e + cos2t b) Sử dụng phép biến đổi Laplace giải phƣơng trình: y'' y t ; y 0 y ' 0 0 Giải Lấy biến đổi laplace 2 vế của phƣơng trình và thay điều kiện ban đầu ta đƣợc phƣơng trình ảnh là 1 Y(s) = ss22( 1) Biến đổi L ngƣợc hai vế của phƣơng trình trên ta đƣợc: 143 Giáo trình Toán cao cấp 1 1 y t L 22 ss( 1) tt 1 1 1 1 2 Lt sin suy ra L = sinudu sin t t (s2 1) ss22( 1) 00 y(t) = -sint +t Vậy nghiệm của phƣơng trình là : y(t) = -sint +t Đáp số của một số bài tập chƣơng 4 1. 2 a) s 4 5 b) 3 s2 41 c) ,1s ss3 1 3s d) s2 25 2. 6 a) s 2 4 s 1 b) s 14 2 72 12 10 c) s5 s 4 s 2 25 ss2 24 4. 4 ss 1 2 2 3 e s 1 5. s 1 6. a) 1 e3t 1 b) t 2 1 2 1 c) te2 t 2 7. a) 3ee 23tt 144 Giáo trình Toán cao cấp b) 2e 32t 3 e t 5 e t c) 2e t 3cos t 2sin t 8. a) 3t 2 ett 4 e 3 b) t e tt e 2 c) 2t2 t 5 e 2tt 6 e 2 9. 4cos3t 4sin3 t cos2 t a) yt 5 5 5 b) y t t 21 c) y t 1 ett cos t 1 6 e sin t 55 10. a) 3et 2 e2 t 2 t 3 2 e t b) 25t22 40 t 22 2 et 2sin t 11cos t 1 c) 3 t2 sin t 3 t cos t 8 11. x 12 t e 2t a) 2t y 12 t e x ett e2 b) tt2 y e e 12. x 4 t 2 2 cost 3 sint a) y 22 t sint 1 4 1 2 1 x e t e2 t cos t sin t te t 9 45 5 5 3 b) 1 1 1 y e t e2 t te t 9 9 3 x 1 e t e at e bt c) t at bt y 1 e be ae 145 Giáo trình Toán cao cấp 146 Giáo trình Toán cao cấp TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Đình Trí, Toán cao cấp 1, NXB Giáo dục, 2004 2. Nguyễn Đình Trí, Toán cao cấp 3, NXB Giáo dục, 2004 3. Đậu Thế Cấp, hàm biến phức, NXB Giáo dục, 2000 4. Nguyễn Kim Đính, phép biến đổi Laplace, Đại học Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 1998 5. Nguyễn Văn Khuê, Lê Mậu Hải, Hàm biến phức, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 1997 6. Trƣơng Văn Thƣơng, hàm số biến số phức, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2002 7. Phan Bá Ngọc, Hàm phức và phép biến đổi Laplace, NXB Giáo dục, 1996 i
File đính kèm:
- giao_trinh_toan_cao_cap_moi.pdf