Nguyên hàm, tích phân và ứng dụng - tài liệu bồi dưỡng toán 12 nâng cao

  • Số trang: 17 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 17 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 24000 tài liệu

Mô tả:

Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ §1. NGUYÊN HÀM Số tiết : 2LT A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ : 1. Khái niệm : • Cho hàm số f xác ñịnh trên K, ở ñó K là một khoảng, một ñoạn hay một nửa khoảng. Hàm số F ñược gọi là nguyên hàm của f trên K nếu : F/(x) = f(x) với mọi x thuộc K. • Nếu hàm số f có một nguyên hàm F thì với mọi C∈R hàm số y = F(x) + C cũng là một nguyên hàm của f. • Họ tất cả các nguyên hàm của f trên K ñược kí hiệu là : ∫ f ( x )dx . Vậy : ∫ f ( x )dx = F(x) + C và ( ∫ f ( x)dx ) / = f ( x ) (Với F là một nguyên hàm của f và ∫ f ( x )dx còn ñược dùng ñể chỉ một nguyên hàm bất kì của f. 2. Nguyên hàm của một số hàm số thường gặp : 1) ∫ 0dx = C ; ∫ dx = x + C xα +1 + C (α ≠ −1) 2) ∫ x dx = α +1 dx 3) ∫ = ln x + C (x ≠ 0) x α 4) Với k là hằng số khác 0, ta có : a) ∫ e kx dx = ekx +C k c) ∫ cos kxdx = 5) a) ∫ sin kx +C k dx = tgx + C cos 2 x b) ∫ a x dx = ax + C (0 < a ≠ 1) ln a d) ∫ sin kxdx = − b) dx ∫ sin 2 x cos kx +C k = − cotgx + C 3. Tính chất : a) ∫[f(x) + g(x)]dx = ∫f(x)dx + ∫g(x)dx b) ∫a.f(x)dx = a∫f(x)dx + C (a ≠ 0). B. MỘT SỐ VÍ DỤ : Ví dụ : Tìm nguyên hàm của các hàm số sau : 1) ∫4x4dx = 4/5.x5 + C 2) ∫(x3 + 2x2 – 4)dx = x4/4 + 2/3.x3 – 4x + C 3) ∫(x – 1)(x4 + 3x)dx = ∫(x5 – x4 + 3x2 – 3x)dx = x6/6 – x5/5 + x3 – 3/2.x2 + C x −3+1 x −2 3 −3 4) ∫sin2xdx = −cos2x/2 + C 5) ∫1/x dx = ∫x dx = +C = +C −3 + 1 −2 x sin  x 2  x x 2 1 2 = 2sin x + C 6) ∫ cos dx = 7) ∫  +  dx = ∫ dx + ∫ dx = x3 + 4 x + C  2 1 2 2 2 3 x  x  2 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 68 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ 1 + cos 2 x x sin 2 x dx = + +C 2 2 4 C. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA : 1. Tìm nguyên hàm của các hàm số sau : a) x3 + x2/4 + C b) x4/2 – 5/2.x2 + 7x + C 8) ∫ cos2 xdx = ∫ c) −1/x – x3/3 – x/3 + C 1 − +1 3 x 33 2 102 x 102 x d) = x +C e) = +C 1 2 ln10 2 2 ln10 − +1 3 2. Tìm : 4 3 2 2 3 3 2 a) x + x + C b) 2 x − +C c) 2x – sin2x + C 3 4 x 3. Chọn (C) 4. Khẳng ñịnh sau ñúng hay sai ? d) x sin 4 x + +C 2 8 Nếu f(x) = (1 − x )/ thì ∫f(x)dx = − x + C Giải: ðúng. Vì ∫ f ( x )dx = ( ∫ (1 − x )dx ) = 1− / x +C = − x +C §2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÌM NGUYÊN HÀM Số tiết : 2LT + 1BT A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ : 1. Phương pháp ñổi biến số : ∫ f [u( x )]u '( x )dx = F[u( x )] + C Trong ñó F là một nguyên hàm bất kì của f. 2. Công thức nguyên hàm từng phần : ∫ u( x )v '( x )dx = u( x ).v( x ) − ∫ v( x )u '( x )dx B. MỘT SỐ VÍ DỤ : Ví dụ 1: Tìm : 1) ∫ (2 x + 1)4 dx 2) ∫ 2x dx x +4 4) ∫ e .cos xdx 3) ∫ cos(7 x + 5)dx 3 2 s inx Giải: 1) ðặt u = 2x + 1 ⇒ du = u’.dx = 2dx ⇒ dx = du/2, ta ñược : 1 u5 (2 x + 1)5 4 4 du (2 x + 1) dx = u . = ∫ ∫ 2 2 5 = 10 + C 2) ðặt u = x2 + 4 ⇒ du = 2x.dx (không nên suy ngược lại), ta ñược : 2x du 1 3 1 − +1 2 2 u 3 3 3 3 2 dx = = u du = = u = ( x + 4) 3 + C ∫ 3 x2 + 4 ∫3u ∫ 1 2 2 − +1 3 3) ðặt u = 7x + 5 ⇒ du = 7dx ⇒ dx = du/7, ta ñược : − Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 69 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ du 1 1 = sin u = sin(7 x + 5) + C 7 7 4) ðặt u = sinx ⇒ du = cosxdx, ta ñược : s inx u u s inx ∫ e .cos xdx = ∫ e du = e = e + C ∫ cos(7 x + 5)dx = ∫ cos u. 7 *. Trình bày cho học sinh cách lấy nguyên hàm trực tiếp. Ví dụ 2: Tìm : 1) ∫ x cos xdx 2) ∫ ln xdx 3) x 2x ∫ 3 e dx Giải: u = x du = dx 1) ðặt  ⇒  v ' = cos x v = s inx ⇒ ∫ x cos xdx = x sin x − ∫ sin xdx = x sin x + cos x + C u = x du = dx hoặc  ⇒  dv = cos xdx v = s inx  1 u = ln x du = dx 2) ðặt  ⇒ ⇒ ∫ ln xdx = x ln x − ∫ dx = x ln x − x + C x dv = dx  v = x  du = dx u = x x 2x 1  e2 x e2 x  1  2 x e2 x   2 x ⇒ 3) ðặt  − dx  =  xe − +C e ⇒ ∫ e dx =  x. 2x 3 3 2 ∫ 2 2   dv = e dx v =  6  2 C. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA : 5. Dùng phương pháp ñổi biến số, tìm nguyên hàm của các hàm số sau : ðáp số 1 2 a) −6(1 − x 3 ) 2 + C b) 5x + 4 + C 5 5 2 2 2 4 c) − (1 − x ) + C d) − +C 5 1+ x 6. Dùng phương pháp lấy nguyên hàm từng phần, tìm nguyên hàm của các hàm số sau : ðáp số x x a) −2 x cos + 4sin + C b) x 2 s inx + 2 x cos x − 2sin x + C 2 2 x 4 ln(2 x ) x 4 c) xe x − e x + C d) − +C 4 16 LUYỆN TẬP Tìm nguyên hàm của các hàm số sau : 3 1 2 2 2 7. a) ðặt u = 7 – 3x . KQ : − (7 − 3 x ) + C 3 b) ðặt u = 3x + 4. KQ : 1/3.sin(3x + 4) + C c) ðặt u = 3x + 2. KQ : 1/3.tan(3x + 2) + C x 1 d) ðặt u = sin(x/3). KQ : sin 6   + C 2 3 x3 8. a) ðặt u = − 1 . KQ : 18 6  x3   − 1 + C  18  Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 70 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ 1 1 1 b) ðặt u = sin   . KQ : − sin 2   + C 2 x x u = x 3 du = 3 x 2 dx c) ðặt  . KQ : e x ( x 3 − 3 x 2 + 6 x − 6) + C (từng phần 3 lần) ⇒ x x  dv = e dx v = e 2 d) ðặt u = 3 x − 9 . KQ : 3 x − 9.e 3 x −9 − e 3 x −9 + C 3  du = 2 xdx 2 1 2 1 1 u = x  9. a) ðặt  ⇒ sin 2 x . KQ : x sin 2 x + x cos2 x − sin 2 x + C 2 2 4  dv = cos2 xdx  v =  2  1 du = dx 3 3  2 2 4 2 u = ln x  x ⇒ ln b) ðặt  KQ : x x − x +C 3 3 9 2 = dv xdx v = x 2   3 ( ) sin 5 x +C 5 sin x 2 d) ðặt u = x2. KQ : +C 2 c) ðặt u = sinx. KQ : §3. TÍCH PHÂN Số tiết : 2LT + 1BT A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ : 1. Khái niệm : Tích phân của hàm số f từ a ñến b (a, b ∈ K) là : ∫ b a b f ( x )dx = F ( x ) a = F (b) − F (a) = ( ∫ f ( x )dx ) b a Trong ñó F là một nguyên hàm bất kì của f trên K. Chú ý : ðối với biến số lấy tích phân, ta có thể chọn bất kì một chữ khác thay cho x. ðịnh lí: Cho hàm số y = f(x) liên tục, không âm trên ñoạn [a ; b]. Khi ñó diện tích S của hình thang cong giới hạn bởi ñồ thị hàm số y = f(x), trục hoành và hai ñt x = a, x = b là : S= ∫ b a f ( x )dx 2. Tính chất của tích phân : a ∫ 3) ∫ 5) ∫ 1) a b a b a ∫ 4) ∫ f (x)dx = 0 2) b k.f (x)dx = k ∫ f (x)dx a b a b a b b a a a f (x)dx = − ∫ f (x)dx b c b a c f (x)dx = ∫ f (x)dx + ∫ f (x)dx với c∈(a; b) [f(x) ± g(x)]dx = ∫ f (x)dx ± ∫ g(x)dx B. MỘT SỐ VÍ DỤ : Ví dụ 1: Tính các tích phân sau : 1) ∫ 5 3 5 1 5 dx = ln x = ln x 3 3 4  x2   1 2) ∫  x +  dx =  + ln x  = 6 + ln 2 2 x   2 2 4 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 71 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao b = 0 2 (2 x − 4) dx = 0 ⇔ ( x − 4 x ) = 0 ⇔ b − 4 b = 0 ⇔  ∫0 0 b = 4 b 3) Tìm b nếu biết rằng : Ví dụ 2: Cho ∫ 3 b 2 f ( x )dx = −2 và 1 Giáo viên: Phan Công Trứ ∫ 3 1 ∫ g( x )dx = 3 . Tính : 3 1 [3 f ( x ) − g( x )]dx và ∫ 3 1 [5 − 4 f ( x )]dx Giải: ∫ ∫ 3 1 3 1 3 3 [3 f ( x ) − g( x )]dx = 3∫ f ( x )dx − ∫ g( x )dx = 3(−2) − 3 = −9 1 1 3 3 [5 − 4 f ( x )]dx = ∫ 5dx − 4 ∫ f ( x )dx = 10 − 4(−2) = 18 1 1 C. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA : 10. Không tìm nguyên hàm, hãy tính các tích phân sau : 2 4  x  b) ∫ x dx a) ∫  + 3  dx −2 2 −1   Giải: a) Tích phân ñó bằng diện tích hình thang ABCD. Diện tích ñó là : h 6 S = ( AB + CD ) = (2 + 5) = 21 2 2 c) ∫ 3 −3 9 − x 2 dx b) Tích phân ñó bằng tổng diện tích hai tam giác vuông OAB và OCD. 1 1 1 5 S = SOAB + SOCD = 1.1 + 2.2 = + 2 = 2 2 2 2 c) Tích phân ñó bằng nửa diện tích ñường tròn : x2 + y2 = 9, có bán kính bằng 3. Diện tích nửa hình tròn là : 1 S = πR2 = 4,5π 2 11. Cho biết ∫ 2 1 f ( x )dx = −4 ; ∫ 5 1 f ( x )dx = 6 ; 5 ∫ f ( x )dx c) ∫ [f ( x ) − g( x )]dx a) ∫ 5 g( x )dx = 8 . Hãy tính : 1 ∫ d) ∫ b) 2 5 1 2 1 5 1 3 f ( x )dx [4 f ( x ) − g( x )]dx Giải: ∫ b) ∫ a) 5 2 2 1 1 5 2 5 f ( x )dx = ∫ f ( x )dx + ∫ f ( x )dx = − ∫ f ( x )dx + ∫ f ( x )dx = −(−4) + 6 = 10 2 1 1 1 3 f ( x )dx = 3.(−4) = −12 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 72 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ 5 ∫ [f ( x ) − g( x )]dx = 6 − 8 = −2 d) ∫ [4 f ( x ) − g( x )]dx = 4.6 − 8 = 16 12. Cho biết ∫ f (z)dz = 3 ; ∫ f (x)dx = 7 . Hãy tính : ∫ c) 1 5 1 3 4 0 0 4 f (t )dt . 3 Giải: ∫ 4 3 0 4 0 4 3 0 3 0 f (t )dt = ∫ f (t )dt + ∫ f (t )dt = ∫ f ( z)dz + ∫ f ( x )dx = −3 + 7 = 4 ∫ b) Chứng minh rằng nếu f(x) ≥ g(x) trên [a ; b] thì ∫ 13. a) Chứng minh rằng nếu f(x) ≥ 0 trên [a ; b] thì b f ( x )dx ≥ 0. a b a f ( x )dx ≥ ∫ b a g( x )dx . Giải: a) Theo ñịnh lí 1. ∫ b a f ( x )dx là diện tích của hình thang cong giới hạn bởi ñths y = f(x), trục hoành và hai ñt x = a, x = b. b) ðặt h(x) = f(x) – g(x) ≥ 0 trên [a ; b], theo a) ta ñược : ∫ b a h( x )dx ≥ 0 ⇔ ∫ b a [f ( x ) − g( x )]dx ≥ 0 14. a) Một vật chuyển ñộng với vận tốc v(t) = 1 – 2sin2t (m/s). Tính quãng ñường mà vật di chuyển trong khoảng thời gian từ thời ñiểm t = 0 (s) ñến thời ñiểm t = 3π/4 (s). b) Một vật chuyển ñộng chậm dần với vận tốc v(t) = 160 – 10t (m/s). Tính quãng ñường mà vật di chuyển ñược từ thời ñiểm t = 0 ñến thời ñiểm mà vật dừng lại. Giải: 3π 3π 3π 4 a) Quảng ñường là S = ∫ (1 − 2 sin 2t )dt = (t + cos2t ) 04 = −1 0 4 b) Khi vật dừng lại thì v(t) = 0 ⇒ t = 16. Khi ñó S = ∫ 16 0 (160 − 10t )dt = 1280 (m) 15. Một vật ñang chuyển ñộng với vận tốc 10m/s thì tăng tốc với gia tốc a(t) = 3t + t2 (m/s2). Tính quãng ñường vật ñi ñược trong khoảng thời gian 10 giây kể từ lúc bắt ñầu tăng tốc. Giải: 3 t3 Gọi v(t) là vận tốc của vật thì v’(t) = a(t) = 3t + t2 ⇒ v(t) = t 2 + + C . Vì v(0) = 10 nên 2 3 3 3 t suy ra C = 10. Vậy v(t) = t 2 + + 10 . 2 3 2 10  3t  t3 4300 Quãng ñường vật ñi ñược là : S = ∫  + + 10  dt = (m) 0 3 3  2  16. Một viên ñạn ñược bắn lên theo phương thẳng ñứng với vận tốc ban ñầu 25m/s. Gia tốc trọng trường là 9,8m/s2. a) Sau bao lâu viên ñạn ñạt tới ñộ cao lớn nhất. b) Tính quãng ñường viên ñạn ñi ñược từ lúc bắn lên cho ñến khi chạm ñất (tính chính xác ñến hàng phần trăm). Giải: a) Gọi v(t) là vận tốc của vật, khi ñó v’(t) = a(t) = −9,8 ⇒ v(t) = −9,8t + C. Vì v(0) = 25 nên suy ra C = 25. Vậy v(t) = −9,8t + 25. Gọi T là thời ñiểm viên ñạn ñạt ñộ cao lớn nhất, tại ñó viên ñạn có vận tốc bằng 0 ⇒ v(T) = 0 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 73 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ 25 ≈ 2,55 (s). 9,8 Quãng ñường viên ñạn ñi ñược cho tới thời ñiểm T = 2,55 (s) là : ⇒T= S= ∫ T 0 (−9,8t + 25)dt ≈ 31,89 (m) Vạy quãng ñường viên ñạn ñi ñược cho ñến khi rơi xuống ñất là 2S ≈ 63,78 (m). §4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN Số tiết : 2LT + 1BT A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ : 1. Phương pháp ñổi biến số : Công thức ñổi biến số : Dạng 1: Ta cần tính ∫ b a ∫ b a f [u( x )].u '( x )dx = ∫ u( b) u( a) f (u)du (1) g( x )dx . Nếu ta viết ñược g(x) dưới dạng f[u(x)].u’(x) thì ta ñược (1) (ñặt u = u(x) ⇒ du = u’(x)dx) ðổi cận : x = a ⇒ u(a) ; x = b ⇒ u(b). Chuyển về tính tích phân mới ñơn giản hơn. Dạng 2: Ta cần tính ∫ β α f ( x )dx . ðặt : x = x(t) (t∈K) ⇒ dx = x’(t)dt ðổi cận : α = x(a) ; β = x(b), ta ñược : ∫ β α b f ( x )dx = ∫ f [ x (t )]. x '(t )dt , bài toán quy về dạng 1. a 2. Phương pháp tích phân từng phần : Ta cần tính tích phân dạng : ∫ b a u( x ).v '( x )dx u = u( x ) du = u '( x )dx ðặt :  ⇒  dv = v '( x )dx v = v( x ) ∫ Khi ñó : b a b u = u( x )  du = u '( x )dx hoặc  ⇒  v ' = v '( x )  v = v( x ) b u( x ).v '( x )dx = u( x ).v( x ) a − ∫ v( x ).u '( x )dx a B. MỘT SỐ VÍ DỤ : Ví dụ 1: Tính các tích phân sau : 1) I = ∫ 2 1 2 xe x dx 2) J = ∫ 1 0 1 − x 2 dx Giải: 1) ðặt u = x2 ⇒ du = 2xdx ⇒ xdx = du/2. ðổi cận : x = 1 ⇒ u = 1 ; x = 2 ⇒ u = 4. ⇒I= 4 ∫ 1 du 1 4 u eu e = ∫ e du = 2 2 1 2 4 u 1 1 = ( e 4 − e) 2 2) ðặt x = sint ⇒ dx = costdt. ðổi cận : x = 0 ⇒ t = 0 ; x = 1 ⇒ t = π/2 ⇒J= π 2 0 ∫ π 2 0 1 − sin 2 t .cos tdt = ∫ cos2 tdt = ∫ π 2 0 π 2  t sin 2t  1 + cos2t π dt =  +  = 2 4 0 4 2 Ví dụ 2: Tính các tích phân sau : 1 1) K = ∫ xe x dx 0 2) L = ∫ Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 2 1 x ln xdx 74 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ Giải: u = x du = dx a) ðặt  ⇒  x x  dv = e dx v = e 1 1 0 0 ⇒ K = x.e x − ∫ e x dx = e − (e − 1) = 1  1 du = dx  u = ln x  x b) ðặt  ⇒ 2  dv = xdx v = x  2 2 2 x x2 x2 ⇒L= ln x − ∫ dx = 2 ln 2 − 1 2 2 4 1 2 = 2 ln 2 − 1 3 4 C. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA : 2 (2 2 − 1) 3 x + 1 ). KQ: 17. a) ðặt u = x + 1 (hoặc u = b) ðặt u = tanx. KQ: ½ c) ðặt u = 1 + t4. KQ: 15/16 d) ðặt u = x2 = 4. KQ: 1/8 e) ðặt u = x2 + 1 (hoặc x 2 + 1 ).KQ : 4 f) ðặt u = 1 – cos3x. KQ: 1/6 32 7 18. a) KQ: ln 2 − 3 4 π 1+ e c) KQ: − 2 b) KQ: e π −1 2 d) KQ: LUYỆN TẬP b) KQ: π/8 (từng phần) 19. a) KQ: 2 3 5 4 20. a) KQ: 9 − 1 21. Chọn (B). ðặt u = 2x 22. Chứng minh rằng : a) ∫ 1 0 b) KQ: 4/3 1 f ( x )dx = ∫ f (1 − x )dx b) 0 ∫ 1 −1 1 f ( x )dx = ∫ [f ( x ) + f (− x )]dx 0 Giải: a) ðặt u = 1 – x ⇒ du = −dx. x = 0 ⇒ u = 1 ; x = 1 ⇒ u = 0, ta ñược : ∫ 1 0 0 1 1 f (1 − x )dx = ∫ f (u)(−du) = ∫ f (u)du = ∫ f ( x )dx (ñpcm) 1 b) Ta có : ∫ 1 −1 0 0 0 1 −1 0 f ( x )dx = ∫ f ( x )dx + ∫ f ( x )dx . Cần tính ∫ 0 −1 f ( x )dx = ? ðặt u = −x ⇒ du = −dx. Với x = −1 ⇒ u = 1 ; x = 0 ⇒ u = 0, ta ñược : ∫ 0 −1 0 1 1 0 0 f ( x )dx = ∫ f ( −u)(−du) = ∫ f (−u)du = ∫ f (− x )dx 1 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 75 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao ⇒ ∫ 1 −1 Giáo viên: Phan Công Trứ 1 f ( x )dx = ∫ [f ( x ) + f (− x )]dx (ñpcm) 0 23. Cho ∫ 1 0 f ( x )dx = 3 . Tính a) f là hàm số lẻ Giải: ∫ 0 −1 f ( x )dx trong các trường hợp sau : b) f là hàm số chẵn a) Vì f(x) là hàm lẻ nên f(−x) = −f(x). Theo 22) ta có : ∫ b) Vì f(x) là hàm chẵn nên f(−x) = f(x). Theo 22) ta có : 24. Tính các tích phân sau : e8 − e 3 a) ðặt u = x . KQ: 3 c) ðặt u = x2 + 1. KQ : 7/3 0 1 1 f ( x )dx = ∫ f (− x )dx = − ∫ f ( x )dx = −3 −1 0 ∫ 0 −1 0 1 1 0 0 f ( x )dx = ∫ f (− x )dx = ∫ f ( x )dx = 3 (ln 3)3 b) ðặt u = lnx. KQ: 3 3 e −1 d) ðặt u = 3x3. KQ: 9 e) ðặt u = 1 + sinx. KQ: ln2 25. Tính các tích phân sau : π 1 (ln 2)2 π2 b) ðặt u = ln(2 – x).KQ: c) KQ: − 2 (từng phần 2 lần) a) KQ: − 8 4 2 4 3 2 2e + 1 d) ðặt u = x3 + 1. KQ: (2 2 − 1) e) KQ: 9 9 §5, 6. ỨNG DỤNG TÍCH PHÂN ðỂ TÍNH DIỆN TÍCH HÌNH PHẲNG VÀ THỂ TÍCH VẬT THỂ Số tiết : 4LT + 3BT A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ : 1. Diện tích hình phẳng : b S = ∫ f ( x ) dx a b S = ∫ f ( x ) − g( x )dx a 2. Thể tích vật thể : b V = ∫ S ( x )dx a Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 76 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ b V = π ∫ f 2 ( x )dx (quay quanh trục Ox) a d V = π ∫ g2 ( y )dy (quay quanh trục Oy) c *.Chú ý: Ta cần tính thể tích của vật thể sinh bởi hình (H) quanh trục Oy (Vt ). Gọi V1 là thể tích vật thể tạo thành khi quay hình phẳng giới hạn bởi cung parabol PA quay Oy và V2 là thể tích vật thể tạo thành khi quay hình phẳng giới hạn bởi cung parabol PO quay Oy. Khi ñó Vt = V1 – V2. Ta cần tìm phương trình của PA và PO. (H) B. MỘT SỐ VÍ DỤ : Ví dụ 1: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi ñồ thị hàm số y = x3 – 1, ñường thẳng x = 2, trục tung và trục hoành. Giải: Ta có : x 0 1 2 3 x –1 − 0 + 7 0 1 0 1 2 Ví dụ 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi parabol y = 2 – x2 và ñường thẳng y = −x. Giải: Hoành ñộ giao ñiểm là nghiệm của phương trình : 2 – x2 = −x ⇔ x = −1 hoặc x = 2. Khi ñó : 2 9 S = ∫ (2 + x − x 2 )dx = −1 2 Khi ñó : S = ∫ 1 2 1 2 x 3 − 1 dx + ∫ x 3 − 1 dx = ∫ (1 − x 3 )dx + ∫ ( x 3 − 1)dx = Ví dụ 3: Tính diện tích của hình phẳng H giới hạn bởi ñồ thị hàm số y = x , trục hoành và ñường thẳng y = x – 2. Giải: Coi H là hình phẳng giới hạn bởi ñường cong x = y2, ñường thẳng x = y + 2, trục hoành y = 0 và ñường thẳng x = 2. Do ñó : 2 10 S = ∫ ( y + 2 − y 2 )dy = 0 3 Ví dụ 4: Tính thể tích vật thể tròn xoay sinh ra khi quay hình phẳng (H) giớis hạn bởi trục hoành và parabol y = x(4 – x) quanh : a) Trục hoành b) Trục tung Giải: a) Parabol cắt trục hoành tại 2 ñiểm x = 0 và x = 4. 4 512 π V = π ∫ (4 x − x 2 )2 dx = 0 15 b) Gọi Vt là thể tích cần tìm. V1 là thể tích vật thể khi quay hình phẳng giới hạn bởi cung PA, trục tung và hai ñt y = 0, y = 4 quanh Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 77 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ Oy. V2 là thể tích vật thể khi quay hình phẳng giới hạn bởi cung PO, trục tung và hai ñt y = 0, y = 4 quanh Oy. ⇒ Vt = V1 – V2 . Ta có : y = x(4 – x) ⇔ x = 2 ± 4 − y và khi x∈[0 ; 4] thì y∈[0 ; 4]. Do ñó PA có phương trình : y = 2 + 4 − y và PO có phương trình :y = 2 − 4 − y . ( 4 4 4 Vậy : Vt = V1 – V2 = π∫ (2 + 4 − y )2 dy − π∫ (2 − 4 − y )2 dy = π∫  2 + 4 − y 0 0 0  4 4 0 0 1 = π ∫ 8 4 − ydy = −8π∫ (4 − y ) 2 d (4 − y ) = ) ( 2 ) 2  − 2 − 4 − y  dy  128π 3 C. BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA : 26. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi ñồ thị hàm số y = sinx + 1, trục hoành và hai ñt x = 0 và x = 7π/6. Giải: 7π 6 0 7π 3 + +1 6 2 27. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : a) ðồ thị hàm số y = cos2x, trục hoành, trục tung và ñt x = π. S= ∫ (s inx + 1)dx = b) ðồ thị hàm số y = x và y = 3 x . c)ðồ thị hàm số y = 2x2 và y = x4 – 2x2 trong miền x ≥ 0. Giải: π π a) S = ∫ cos2 xdx = 0 2 1 1 1 1 b) S = ∫ ( x 3 − x 2 )dx = 0 12 2 2 64 c) S = ∫ (2 x 2 − x 4 + 2 x 2 )dx = ∫ (4 x 2 − x 4 )dx = 0 0 15 28. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : a) ðồ thị hàm số y = x2 – 4 ; y = −x2 – 2x và hai ñt x = −3 ; x = −2. b) ðồ thị hàm số y = x2 – 4 và y = −x2 – 2x. c) ðồ thị hàm số y = x3 – 4x, trục hoành, ñt x = −2 và ñt x = 4. Giải: −2 11 a) S = ∫ (− x 2 − 2 x − x 2 + 4)dx = −3 3 b) S = ∫ 1 −2 c) Ta có : x 3 x – 4x S= ∫ 4 −2 ( x 2 − 4 + x 2 + 2 x )dx = 9 −∞ + −2 0 0 0 − 2 0 + 0 2 4 −2 0 2 4 − +∞ + x 3 − 4 dx = ∫ ( x 3 − 4)dx − ∫ ( x 3 − 4)dx + ∫ ( x 3 − 4)dx = 44 . Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 78 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ 29. Tính thể tích vật thể nằm giữa hai mp x = −1 và x = 1, biết rằng thiết diện của vật thể bị cắt bởi mp vuông góc với trục Ox tại ñiểm có hoành ñộ x (−1 ≤ x ≤ 1) là một hình vuông cạnh là 2 1 − x 2 Giải: Gọi S(x) là diện tích của hình phẳng ⇒ S(x) = 4(1 – x2). Khi ñó thể tích vật thể là : 1 1 16 V = ∫ S ( x )dx = ∫ 4(1 − x 2 )dx = −1 −1 3 30. Tính thể tích vật thể nằm giữa hai mp x = 0 và x = π, biết rằng thiết diện của vật thể bị cắt bởi mp vuông góc với trục Ox tại ñiểm có hoành ñộ x (0 ≤ x ≤ π) là một tam giác ñều cạnh là 2 s inx . Giải: (2 s inx )2 3 Gọi S(x) là diện tích của hình phẳng ⇒ S(x) = . Khi ñó thể tích vật thể là : 4 V= ∫ π 0 S ( x )dx = ∫ π 0 (2 s inx )2 3 dx = 2 3 4 31. Cho hình phẳng A giới hạn bởi các ñường y = 0, x = 4 và y = tròn xoay tạo thành khi quay hình A quanh trục hoành. Giải: 4 7π V = π ∫ ( x − 1)2 dx = 1 6 32. Cho hình phẳng B giới hạn bởi các ñường y = 1, y = 4 và x = x − 1 . Tính thể tích của khối 2 . Tính thể tích của khối tròn y xoay tạo thành khi quay hình B quanh trục tung. Giải: 4 4 V = π ∫ 2 dy = 3π 1 y 33. Cho hình phẳng B giới hạn bởi các ñường y = −1, y = 1, x = 0 và x = khối tròn xoay tạo thành khi quay hình B quanh trục tung. Giải: 5y 2 . Tính thể tích của 1 V = π ∫ 5y 4 dy = 2 π −1 LUYỆN TẬP 34. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : x2 a) ðồ thị các hàm số y = x ; y = 1 và y = trong miền x ≥ 4 0, y ≤ 1. b) ðồ thị hai hàm số y = x4 – 4x2 + 4, y = x2 , trục tung và ñt x = 1. c) ðồ thị các hàm số y = x2 ,y = 4x – 4 và y = −4x – 4. Giải: 2 2 x 1 3 2 5 a) S = SABCD - S∆ cong = (1 + 2 ) − ∫ dx = − = 0 4 2 2 3 6 (Hình bên) Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 79 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao b) S = 1 ∫ (x 4 0 − 5 x 2 + 4)dx = Giáo viên: Phan Công Trứ 38 (hình dưới) 15 c) S = ∫ 0 −2 2 (x2 + 4x + 4)dx + ∫ (x2 − 4x + 4)dx = 0 16 3 35. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : a) ðồ thị các hàm số y = x2 + 1 ; y = 3 – x. b) Các ñường x = y3, y = 1 và x = 8. c) ðồ thị các hàm số y = x ,y = 6 – x và trục hoành. Giải: 1 9 a) S = ∫ (2 − x − x 2 )dx = −2 2 2  y4  17 b) S = ∫ (8 − y )dy =  8 y −  = 1 4  4  1 4 22 (hình bên) c) S = S∆ cong – SABC = ∫ xdx + 2 = 0 3 2 3 36. Tính thể tích vật thể T nằm giữa hai mp x = 0 và x = π, biết rằng thiết diện của vật thể cắt bởi mp vuông góc với trục Ox tại ñiểm có hoành ñộ x (0 ≤ x ≤ π) là một hình vuông cạnh là 2 s inx . Giải: V= ∫ π 0 4sin xdx = 8 37. Cho hình phẳng A giới hạn bởi các ñường y = 0, x = 0, x = 2 và y = x2. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình A quanh trục hoành. Giải: V = π∫ 2 0 (x ) 2 2 2 π 32 π dx = x 5 = 5 0 5 38. Cho hình phẳng A giới hạn bởi các ñường y = cosx, y = 0, x = 0 và x =π/4. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình A quanh trục hoành. Giải: V = π∫ π 4 0 π  x sin 2 x  4 π(π + 2) cos x dx = π ( )  +  = 2 4 8  0 2 Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 80 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ x 2 39. Cho hình phẳng A giới hạn bởi các ñường y = x.e , y = 0, x = 0 và x = 1. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình A quanh trục hoành. Giải: 2  2x  1 V = π ∫  xe  dx = π∫ x 2 e x dx = π(e − 2)  0 0   1 40. Cho hình phẳng B giới hạn bởi các ñường x = 2sin 2y , y = 0, x = 0 và y = π/2. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình B quanh trục tung. Giải: V = π∫ π 4 0 ( 2 sin 2 y ) dy =2π ÔN TẬP CHƯƠNG III Tìm nguyên hàm của cac hàm số sau :(từ bài 41 ñến 43): 3 2 8 4 2 2 41. a) x + + C b) 4 x − x + C x 3 3 3 2 1 c) ðặt u = x 2 + 1 . KQ: − cos( x 2 + 1) + C d) ðặt u = cos(2x + 1). KQ: +C 3 2 cos(2 x + 1) 1  1 ( x 4 + 1)4 42. a) ðặt u = − 1 . KQ: − sin  − 1  + C b) ðặt u = x4 + 1. KQ: +C x 16 x   c) Lấy nguyên hàm từng phần. KQ: x.e2 x e2 x − +C 6 12 43. a) −e−x(x + 1) + C d) KQ: ex(x2 – 2x + 2) + C. b) ðặt u = lnx. KQ: 44. Tìm hàm số y = f(x) nếu biết dy = 12(3x2 – 1)3dx và f(1) = 3. Giải: Ta có : dy = 12(3x2 – 1)3dx = y’dx ⇒ y’ = 12(3x2 – 1)3 mà (ln x )2 +C 2 ∫ f '( x )dx = f ( x ) nên ta cần tính : (3 x 2 − 1)4 12 ∫ (3 x − 1) dx = + C = f(x) (ñặt u = 3x2 – 1) và f(1) = 3 ⇔ C = −5. 2 2 4 (3 x − 1) Vậy f(x) = − 5. 2 2 3 45. Xác ñịnh số b dương ñể tích phân ∫ b 0 ( x − x 2 )dx có giá trị lớn nhất. Giải: b  x2 x3  b 2 b3 ðặt f(b) = ∫ ( x − x 2 )dx =  −  = − ⇒ f’(b) = b – b2. 0 3  2 3  2 0 Xét dấu f’(b) trên (0 ; +∞) ta thấy f(b) ñạt GTLN khi b = 1. Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp b 81 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao 46. Cho biết 9 ∫ 9 1 ∫ f ( x )dx = −1 ; 9 7 f ( x )dx = 5 ; ∫ c) ∫ [2 f ( x ) − 3g( x )]dx a) ∫ 9 7 g( x )dx = 4 . Hãy tìm : ∫ d) ∫ −2 f ( x )dx 1 Giáo viên: Phan Công Trứ b) 9 7 9 7 7 1 [f ( x ) + g( x )]dx f ( x )dx Giải: ∫ c) ∫ a) 9 1 9 7 −2 f ( x )dx = −2(−1) = 2 ∫ d) ∫ b) [2 f ( x ) − 3g( x )]dx = 2.5 – 3.4 = −2 9 7 7 1 [f ( x ) + g( x )]dx = 5 + 4 = 9 9 7 f ( x )dx = ∫ f ( x )dx + ∫ f ( x )dx = −1 − 5 = −6 1 9 1 b f ( x )dx ñược gọi là giá trị trung bình của hàm b − a ∫a số trên [a ; b] và ñược kí hiệu là m(f). Chứng minh rằng tồn tại ñiểm c∈[a ; b] sao cho m(f) = f(c). Giải: Giả sử m và M lần lượt là GTNN và GTLN của hàm số trên [a ; b]. Ta có : m ≤ f(x) ≤ M, ∀x∈[a ; b]. Do ñó ta ñược : 47. Cho hàm số f liên tục trên [a ; b]. Tỉ số : ∫ b a b b b a a a mdx ≤ ∫ f ( x )dx ≤ ∫ Mdx ⇒ m(b − a) ≤ ∫ f ( x )dx ≤ M (b − a) 1 b f ( x )dx . b − a ∫a 48. Giả sử một vật từ trạng thái nghỉ khi t = 0 (s) chuyển ñộng thẳng với vận tốc v(t) = t(5 – t) (m/s). Tìm quãng ñường vật ñi ñược cho tới khi nó dừng lại. Giải: Vật dừng lại tại thời ñiểm t = 5. Quảng ñường vật ñi ñược là : 5 125 S = ∫ t(5 − t )dt = m 0 6 49. Một chất ñiểm A xuất phất từ vị trí O, chuyển ñộng thẳng nhanh dần ñều; 8 giây sau ñó ñạt ñến vận tốc 6m/s. Từ thời ñiểm ñó nó chuyển ñộng thẳng ñều. Một chất ñiểm B xuất phát từ cùng vị trí O nhưng chậm hơn 12 giây so với A và chuyển ñộng thẳng nhanh dần ñều. Biết rằng B ñuổi kịp A sau 8 giây (kể từ lúc B xuất phát). Tìm vận tốc của B tại thời ñiểm ñuổi kịp A. Giải: Thời ñiểm A và B gặp nhau là 20 giây kể từ lúc A xuất phát. ðồ thị vận tốc của A là ñường gấp khúc OMN. Quãng ñường A ñã ñi ñược là diện tích hình thang OMNQ. Diện tích của nó là : 6 (20 + 12) = 96 , do ñó lúc gặp B thì A ñã ñi 2 ñược 96m. ðồ thị vận tốc của B là ñt HP. Vì B xuất phát cùng vị trí với A nên quãng ñường B ñã ñi ñược là 96m. Mặt khác, quãng ñường B ñã ñi ñược bằng diện tích hình tam giác HPQ với HQ = 8 và PQ chính là vận tốc 8PQ của B tại thời ñiểm ñuổi kịp A. Suy ra 96 = = 4 PQ 2 nên PQ = 24. Vậy vận tốc của B tại thời ñiểm nó ñuổi kịp A là 24m/s. 50. Tính các tích phân sau : Vì f là hàm liên tục nên tồn tại c∈[a ; b] ñể f(c) = Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 82 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao a) π 2 0 ∫ x 2 sin 2 xdx b) Giáo viên: Phan Công Trứ ∫ 2 1 x (2 x 2 + 1)dx c) Giải: π2 1 a) − (từng phần) b) ðặt u = 2x2 + 1. KQ: 9 8 2 51. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : a) ñồ thị hàm số y = 4 – x2 ; y = −x + 2. b) Các ñường cong có phương trình x = 4 – 4y2 và x = 1 – y4. Giải: 2 9 a) S = ∫ (4 − x 2 + x − 2)dx = −1 2 ∫ 3 2 ( x − 1)e x 2 −2 x dx e3 − 1 c) ðặt u = x – 2x. KQ: 2 2 1  4 3 y5  28 56 b) S = 2 ∫ (4 − 4 y − 1 + y )dy = 2  3 y − y +  = 2. = 0 3 5 15 15  0 52. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi : a) Parabol y = x2 – 2x + 2, tiếp tuyến của nó tại ñiểm M(3 ; 5) và trục tung. b) Parabol y = −x2 + 4x – 3 và các tiếp tuyến của nó tại các ñiểm A(0 ; −3) và B(3 ; 0). Giải: a) Tiếp tuyến có phương trình y = 4x – 7. 1 S= 2 ∫ 3 0 4 ( x 2 − 2 x + 2 − 4 x + 7)dx = 9 b) Tiếp tuyến tại A và B lần lượt là y = 4x – 3 và y = −2x + 6. 3 2 0 ∫ (4x − 3 + x ) 9 9 9 + = 8 8 4 2 53. Tính thể tích vật thể nằm giữa hai mp x = 0 và x = 2, biết rằng thiết diện của vật thể bị cắt bởi mp vuông góc với trục Ox tại ñiểm có hoành ñộ x S= 2 3 − 4 x + 3 dx + ∫ 3 (−2 x + 6 + x 2 − 4 x + 3)dx = (0 ≤ x ≤ 2) là một nửa hình tròn ñường kính Giải: 5x 2 2 πr 2 π  5 2  5πx 4 Diện tích nửa hình tròn là S(x) = =  x  =  2 2  2 8  4 2  5πx  V= ∫   dx = 4 π 0  8  2 và các ñường thẳng y = 1, y = 4, x = 0. Tính x thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình phẳng ñó quanh trục tung. Giải: 54. Xét hình phẳng giới hạn bởi ñường hypebol y = 2 2 V = π ∫   dy = 3π 1 y 4 55. Cho hình phẳng A giới hạn bởi ñồ thị hàm số y = Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp  π cos x  0 ≤ x ≤  và hai trục tọa ñộ. Tính 2  83 Tài liệu Giảng dạy Toán 12 nâng cao Giáo viên: Phan Công Trứ thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay A quanh trục hoành. Giải: π V = π ∫ 2 cos xdx = π 0 56. Cho hình phẳng A giới hạn bởi ñường cong có phương trình x(y + 1) = 2 và các ñường thẳng x = 0, y = 0, y = 3. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay A quanh trục tung. Giải: 2  2  V = π∫  dy = 3π 0 y +1   57. Cho hình phẳng A giới hạn bởi ñường cong có phương trình x – y2 = 0 và các ñường thẳng x = 0, y = 2. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay A quanh. a) Trục hoành b)Trục tung Giải: 3 4 a) V = Vtruï − π∫ xdx = Sñaùy .h − 8π = π.22 .4 − 8π = 8π 0 32π 0 5 58. Cho hình phẳng A giới hạn bởi ñường cong có phương 2 b) V = π ∫ ( y 2 )2 dy = 1 2 x 2 trình y = x .e và các ñường thẳng x = 1,x = 2, y = 0. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay A quanh trục hoành. Giải: 2  21 2x  2 V = π ∫  x .e  dx = π ∫ x.e x dx = πe2  1  1   59. Cho hình phẳng A giới hạn bởi ñường cong có phương trình y2 = x3 và các ñường thẳng x = 1, y = 0. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay A quanh: a) Trục hoành b) Trục tung Giải: 2 1 π x 3 dx = (y ≥ 0) a) V = π ∫ 0 4 b) Tương tự 57.a) 4 2 1 1 4π 3 2 V = π - π∫ y dy = π − π ∫ y 3 dy = 0 0 7 2 ( ) ( ) ðÁP ÁN TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN 60. (B) ; 61. (B) ; 62. (D) ; 63. (A) ; 64. (B) ; 65. (A) ; 66. (A) ; 67. (C) ; 68. Trường THPT Thanh Bình 2 – Thanh Bình – ðồng Tháp 84
- Xem thêm -