Giải SGK Toán 12 CTST Bài 3. Ứng dụng hình học của tích phân có đáp án
21 câu hỏi
Ta đã biết công thức tính thể tích của khối cầu bán kính R là . Làm thế nào để tìm ra công thức đó?
Sau khi học xong bài, ta giải quyết bài toán này như sau:
Khối cầu có bán kính R là khối tròn xoay nhận được khi quay nửa hình tròn giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = \sqrt {{R^2} - {x^2}} \left( { - R \le x \le R} \right)\) và trục Ox quanh trục Ox.
Từ đó thể tích khối cầu là:
\(V = \pi \int\limits_{ - R}^R {\left( {{R^2} - {x^2}} \right)dx} = \left. {\pi \left( {{R^2}x - \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_{ - R}^R = \frac{{4\pi {R^3}}}{3}\).
Gọi d là đồ thị của hàm số y = f(x) = 6 – 2x. Kí hiệu S1 là diện tích hình phẳng giới hạn bởi d, trục hoành và trục tung, S2 là diện tích hình phẳng giới hạn bởi d, trục hoành và đường thẳng x = 5 (Hình 1).
a) Tính S1 và so sánh với \(\int\limits_0^3 {f\left( x \right)dx} \).
b) Tính S2 và so sánh với \(\int\limits_3^5 {f\left( x \right)dx} \).
c) So sánh \(\int\limits_0^5 {\left| {f\left( x \right)} \right|dx} \) với S1 + S2.
a) Gọi A(3; 0), B(0; 6), C(5; 0), E(5; −4).
Ta có S1 chính là diện tích của tam giác vuông OAB với OA = 3, OB = 6.
Do đó \({S_1} = {S_{\Delta OAB}} = \frac{1}{2}OA.OB = \frac{1}{2}.3.6 = 9\).
Ta có \(\int\limits_0^3 {f\left( x \right)dx} \)\( = \int\limits_0^3 {\left( {6 - 2x} \right)dx} \)\[ = \left. {\left( {6x - {x^2}} \right)} \right|_0^3\] = 9.
Vậy \({S_1} = \int\limits_0^3 {f\left( x \right)dx} \).
b) Ta có S2 chính là diện tích của tam giác vuông ACE với AC = 2, CE = 4.
Do đó \({S_2} = {S_{\Delta ACE}} = \frac{1}{2}AC.CE = \frac{1}{2}.2.4 = 4\).
Ta có \(\int\limits_3^5 {f\left( x \right)dx} \)\( = \int\limits_3^5 {\left( {6 - 2x} \right)dx} \)\[ = \left. {\left( {6x - {x^2}} \right)} \right|_3^5\] = 5 – 9 = −4.
Do đó \({S_2} = - \int\limits_3^5 {f\left( x \right)dx} \).
c) Ta có \(\int\limits_0^5 {\left| {f\left( x \right)} \right|dx} \)= \(\int\limits_0^5 {\left| {6 - 2x} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^3 {\left| {6 - 2x} \right|dx} + \int\limits_3^5 {\left| {6 - 2x} \right|dx} \)
\( = \int\limits_0^3 {\left( {6 - 2x} \right)dx} + \int\limits_3^5 {\left( {2x - 6} \right)dx} \)\( = \left. {\left. {\left( {6x - {x^2}} \right)} \right|_0^3 + \left( {{x^2} - 6x} \right)} \right|_3^5\)
= 9 − 5 + 9 = 13.
Có S1 + S2 = 9 + 4 = 13 = \(\int\limits_0^5 {\left| {f\left( x \right)} \right|dx} \).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = 2x – x2, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 3.
Ta có 2x – x2 = 0 Û x = 0 hoặc x = 2.
Với x Î [0; 2] thì 2x – x2 ≥ 0, với x Î [2; 3] thì 2x – x2 ≤ 0.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_0^3 {\left| {2x - {x^2}} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^2 {\left| {2x - {x^2}} \right|dx} + \int\limits_2^3 {\left| {2x - {x^2}} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^2 {\left( {2x - {x^2}} \right)dx} + \int\limits_2^3 {\left( {{x^2} - 2x} \right)dx} \)
\( = \left. {\left( {{x^2} - \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^2 + \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} - {x^2}} \right)} \right|_2^3\)\( = \frac{4}{3} + \frac{4}{3} = \frac{8}{3}\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = cosx – 2, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = π.
Với x Î [0; π] thì −1 ≤ cosx ≤ 1 nên −3 ≤ cosx − 2 ≤ −1 Þ cosx − 2 < 0.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_0^\pi {\left| {\cos x - 2} \right|} dx\)\( = \int\limits_0^\pi {\left( {2 - \cos x} \right)} dx\)\( = \left. {\left( {2x - \sin x} \right)} \right|_0^\pi \)= 2π.
Cho hai hàm số y = 4x – x2 và y = x lần lượt có đồ thị (P) và d như Hình 4.
a) Tính diện tích S1 của hình phẳng giới hạn bởi (P), trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 2.
b) Tính diện tích S của hình phẳng giới hạn bởi (P), d và hai đường thẳng x = 0, x = 2.
a) Ta có \({S_1} = \int\limits_0^2 {\left| {4x - {x^2}} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^2 {\left( {4x - {x^2}} \right)dx} \)\( = \left. {\left( {2{x^2} - \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^2\)\( = \frac{{16}}{3}\).
b) Gọi A(2; 0), B(2; 2).
Ta có tam giác OAB là tam giác vuông tại A, có OA = 2, AB = 2.
Suy ra \({S_{\Delta OAB}} = \frac{1}{2}.OA.AB = \frac{1}{2}.2.2 = 2\).
Do đó \(S = {S_1} - {S_{\Delta OAB}} = \frac{{16}}{3} - 2 = \frac{{10}}{3}\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = x2 – 2x – 1, y = x – 1 và hai đường thẳng x = 1, x = 4.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_1^4 {\left| {{x^2} - 2x - 1 - \left( {x - 1} \right)} \right|dx} \)\( = \int\limits_1^4 {\left| {{x^2} - 3x} \right|dx} \).
Ta có x2 – 3x = 0 Û x = 0 hoặc x = 3.
Do đó S\( = \int\limits_1^3 {\left| {{x^2} - 3x} \right|dx} + \int\limits_3^4 {\left| {{x^2} - 3x} \right|dx} \)
\( = \int\limits_1^3 {\left( {3x - {x^2}} \right)dx} + \int\limits_3^4 {\left( {{x^2} - 3x} \right)dx} \)\( = \left. {\left( {\frac{{3{x^2}}}{2} - \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_1^3 + \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} - \frac{{3{x^2}}}{2}} \right)} \right|_3^4\)\( = \frac{9}{2} - \frac{7}{6} - \frac{8}{3} + \frac{9}{2} = \frac{{31}}{6}\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = 5x − x2, y = x2 – x và hai đường thẳng x = 0, x = 2.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_0^2 {\left| {5x - {x^2} - \left( {{x^2} - x} \right)} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^2 {\left| {6x - 2{x^2}} \right|dx} \).
Ta có 6x – 2x2 = 0 Û x = 0 hoặc x = 3.
Do đó S \( = \int\limits_0^2 {\left( {6x - 2{x^2}} \right)dx} \)\( = \left. {\left( {3{x^2} - \frac{{2{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^2\)\( = \frac{{20}}{3}\).
Mặt cắt của một cửa hầm có dạng là hình phẳng giới hạn bởi một parabol và đường thẳng nằm ngang như Hình 7. Tính diện tích của cửa hầm.
Chon hệ tọa độ Oxy như hình vẽ.
Giả sử (P): y = ax2 + bx + c (a ≠ 0).
Vì (P) đi qua các điểm (0; 0), (6; 0), (3; 6) nên ta có:
\(\left\{ \begin{array}{l}c = 0\\36a + 6b = 0\\9a + 3b = 6\end{array} \right.\)\( \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}a = - \frac{2}{3}\\b = 4\\c = 0\end{array} \right.\).
Vậy (P): \(y = - \frac{2}{3}{x^2} + 4x\).
Bài toán trở thành tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số \(y = - \frac{2}{3}{x^2} + 4x\), trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 6.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_0^6 {\left| { - \frac{2}{3}{x^2} + 4x} \right|} dx\)\( = \int\limits_0^6 {\left( { - \frac{2}{3}{x^2} + 4x} \right)} dx\)\( = \left. {\left( { - \frac{{2{x^3}}}{9} + 2{x^2}} \right)} \right|_0^6 = 24\) m2.
Vậy diện tích của cửa hầm là 24 m2.
Trong không gian, cho hình chóp O.ABCD có đáy là hình vuông cạnh a, OA ^ (ABCD), OA = h. Đặt trục số Ox như Hình 8. Một mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 < x ≤ h), cắt hình chóp O.ABCD theo mặt cắt là hình vuông A'B'C'D'. Kí hiệu S(x) là diện tích của hình vuông A'B'C'D'.
a) Tính S(x) theo a, h và x.
b) Tính và so sánh với thể tích của khối chóp O.ABCD.
a) Ta có A'B'C'D' đồng dạng với ABCD theo tỉ số đồng dạng là \(\frac{x}{h}\).
Do đó \(\frac{{S\left( x \right)}}{{{S_{ABCD}}}} = {\left( {\frac{x}{h}} \right)^2} \Rightarrow S\left( x \right) = {\left( {\frac{x}{h}} \right)^2}.{a^2}\).
b) \(\int\limits_0^h {S\left( x \right)dx} \)\( = \int\limits_0^h {{{\left( {\frac{x}{h}} \right)}^2}.{a^2}dx} \)\( = \frac{{{a^2}}}{{{h^2}}}\int\limits_0^h {{x^2}dx} \)\( = \left. {\left( {\frac{{{a^2}}}{{{h^2}}}.\frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^h\)\( = \frac{1}{3}{a^2}h\).
Có \({V_{O.ABCD}} = \frac{1}{3}.OA.{S_{ABCD}} = \frac{1}{3}.h.{a^2}\).
Vậy \({V_{O.ABCD}} = \int\limits_0^h {S\left( x \right)dx} \).
Một bình chứa nước có hình dạng như Hình 11. Biết rằng khi nước trong bình có chiều cao x (dm) (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt nước là hình vuông có cạnh (dm). Tính dung tích của bình.
Chọn trục Ox như hình vẽ, hai đáy của bình nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại x = 0 và x = h.
Mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) cắt bình theo mặt cắt là hình vuông và có diện tích là \(S\left( x \right) = 2 + \frac{{{x^2}}}{4}\) (dm2).
Do đó dung tích của bình là \(V = \int\limits_0^4 {\left( {2 + \frac{{{x^2}}}{4}} \right)dx} \)\( = \left. {\left( {2x + \frac{{{x^3}}}{{12}}} \right)} \right|_0^4 = \frac{{40}}{3}\) (dm3).
Cho D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số , trục hoành và đường thẳng x = 4 (Hình 12a). Quay hình D xung quanh trục Ox thì được một khối nón, kí hiệu là N (Hình 12b).
a) Cắt khối N bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt cắt là hình gì? Tính diện tích S(x) của mặt cắt đó.
b) Sử dụng công thức tính thể tích hình khối, tính thể tích của khối nón N.
a) Cắt khối N bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt cắt là hình tròn có bán kính là \(\frac{1}{2}x\).
Khi đó \(S\left( x \right) = \pi {\left( {\frac{1}{2}x} \right)^2} = \frac{\pi }{4}{x^2}\).
b) Khối nón N có đường cao là 4 và bán kính hình tròn đáy là 2.
Do đó \(V = \frac{1}{3}\pi {r^2}h = \frac{1}{3}\pi {.2^2}.4 = \frac{{16\pi }}{3}\).
Gọi D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số , trục hoành và hai đường thẳng x = 1, x = 2 (Hình 15). Thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay D quanh trục Ox.
Thể tích cần tìm là:
\(V = \pi \int\limits_1^2 {{{\left( {1 + \frac{1}{x}} \right)}^2}dx} \)\( = \pi \int\limits_1^2 {\left( {1 + \frac{2}{x} + \frac{1}{{{x^2}}}} \right)dx} \)\( = \pi \left. {\left( {x + 2\ln \left| x \right| - \frac{1}{x}} \right)} \right|_1^2\)
\( = \pi \left[ {2 + 2\ln 2 - \frac{1}{2} - \left( {1 + 2\ln 1 - 1} \right)} \right]\)\[ = \pi \left( {2ln2 + \frac{3}{2}} \right)\].
Sử dụng tích phân, tính thể tích khối nón có bán kính đáy r và chiều cao h (Hình 16).
Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ. Ta có O(0; 0), B(h; r).
Ta có OB là đường thẳng đi qua gốc tọa độ nên OB: y = ax.
Mà OB đi qua điểm B nên r = ah \( \Rightarrow a = \frac{r}{h}\).
Do đó OB: \(y = \frac{r}{h}x\).
Khi quay hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = \frac{r}{h}x\), trục hoành, trục tung và đường thẳng x = h quanh trục Ox ta được khối nón có chiều cao h và bán kính r.
Do đó thể tích của khối nón là:
\(V = \pi \int\limits_0^h {{{\left( {\frac{r}{h}x} \right)}^2}dx} = \left. {\frac{{\pi {r^2}}}{{{h^2}}}.\frac{{{x^3}}}{3}} \right|_0^h = \frac{1}{3}\pi {r^2}h\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi
a) Đồ thị của hàm số y = ex, trục hoành và hai đường thẳng x = −1, x = 1.
b) Đồ thị của hàm số \(y = x + \frac{1}{x}\), trục hoành và hai đường thẳng x = 1, x = 2.
a) Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_{ - 1}^1 {\left| {{e^x}} \right|dx} \)\( = \int\limits_{ - 1}^1 {\left| {{e^x}} \right|dx} \)\( = \left. {{e^x}} \right|_{ - 1}^1 = e - \frac{1}{e} = \frac{{{e^2} - 1}}{e}\).
b) Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_1^2 {\left| {x + \frac{1}{x}} \right|} dx\)\( = \int\limits_1^2 {\left( {x + \frac{1}{x}} \right)} dx\)\( = \left. {\left( {\frac{{{x^2}}}{2} + \ln \left| x \right|} \right)} \right|_1^2\)\( = 2 + \ln 2 - \frac{1}{2} = \frac{3}{2} + \ln 2\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = x3 – x, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 2.
Ta có x3 – x = 0 Û x = 0 hoặc x = 1 hoặc x = −1.
Với x Î [0; 1] thì x3 – x ≤ 0; x Î [1; 2] thì x3 – x ≥ 0.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_0^2 {\left| {{x^3} - x} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^1 {\left| {{x^3} - x} \right|dx} + \int\limits_1^2 {\left| {{x^3} - x} \right|dx} \)\( = \int\limits_0^1 {\left( {x - {x^3}} \right)dx} + \int\limits_1^2 {\left( {{x^3} - x} \right)dx} \)
\( = \left. {\left( {\frac{{{x^2}}}{2} - \frac{{{x^4}}}{4}} \right)} \right|_0^1 + \left. {\left( {\frac{{{x^4}}}{4} - \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_1^2\)\( = \frac{1}{4} + 2 + \frac{1}{4} = \frac{5}{2}\).
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số , y = – x và hai đường thẳng x = 1, x = 4.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_1^4 {\left| {\frac{{{x^2} + 1}}{x} + x} \right|dx} \)\( = \int\limits_1^4 {\left| {\frac{{2{x^2} + 1}}{x}} \right|dx} \)\( = \int\limits_1^4 {\left( {\frac{{2{x^2} + 1}}{x}} \right)dx} \)\( = \int\limits_1^4 {\left( {2x + \frac{1}{x}} \right)dx} \)
\( = \left. {\left( {{x^2} + \ln \left| x \right|} \right)} \right|_1^4\) = 16 + ln4 – 1 = 15 + ln4.
Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = x3 + 1, y = 2 và hai đường thẳng x = −1, x = 2.
Diện tích cần tính là:
\(S = \int\limits_{ - 1}^2 {\left| {{x^3} + 1 - 2} \right|dx} \)\( = \int\limits_{ - 1}^2 {\left| {{x^3} - 1} \right|dx} \).
Ta có x3 – 1 = 0 Û x = 1.
Với x Î [−1; 1] thì x3 – 1 ≤ 0, x Î [1; 2] thì x3 – 1 ≥ 0.
Do đó S\( = \int\limits_{ - 1}^1 {\left| {{x^3} - 1} \right|dx} + \int\limits_1^2 {\left| {{x^3} - 1} \right|dx} \)\( = \int\limits_{ - 1}^1 {\left( {1 - {x^3}} \right)dx} + \int\limits_1^2 {\left( {{x^3} - 1} \right)dx} \)
\( = \left. {\left( {x - \frac{{{x^4}}}{4}} \right)} \right|_{ - 1}^1 + \left. {\left( {\frac{{{x^4}}}{4} - x} \right)} \right|_1^2\)\( = \frac{3}{4} + \frac{5}{4} + 2 + \frac{3}{4} = \frac{{19}}{4}\).
Khi cắt một vật thể hình chiếc nêm bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (−2 ≤ x ≤ 2), mặt cắt là tam giác vuông có một góc 45° và độ dài một cạnh góc vuông là (dm) (Hình 17). Tính thể tích của vật thể.
Vì mặt cắt là tam giác vuông có một góc 45° nên mặt cắt là tam giác vuông cân.
Do đó diện tích của mặt cắt là \(S\left( x \right) = \frac{1}{2}{\left( {\sqrt {4 - {x^2}} } \right)^2} = \frac{1}{2}\left( {4 - {x^2}} \right) = 2 - \frac{1}{2}{x^2}\).
Thể tích vật thể là:
\(V = \int\limits_{ - 2}^2 {\left( {2 - \frac{1}{2}{x^2}} \right)dx} \)\( = \left. {\left( {2x - \frac{{{x^3}}}{6}} \right)} \right|_{ - 2}^2\)\( = \frac{8}{3} + \frac{8}{3} = \frac{{16}}{3}\).
Cho D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số (x ≤ 4), trục tung và trục hoành (Hình 18). Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay D quanh trục Ox.
Thể tích cần tính là:
\(V = \pi \int\limits_0^4 {\left( {4 - x} \right)dx} \)\( = \pi \left. {\left( {4x - \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^4\)= 8π.
Trong mặt phẳng tọa độ Oxy, cho hình thang OABC có A(0; 1), B(2; 2) và C(2; 0) (Hình 19). Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay hình thang OABC quanh trục Ox.
Ta có OABC là hình thang vuông, có đường cao OC nằm trên trục Ox.
Khi quay hình thang OABC quanh trục Ox ta được khối tròn xoay là khối nón cụt, có bán kính đáy bé r1 = OA = 1, bán kính đáy lớn r2 = BC = 2 và chiều cao h = OC = 2.
Thể tích cần tính là:
\(V = \frac{1}{3}\pi \left( {r_1^2 + {r_1}{r_2} + r_2^2} \right)h = \frac{1}{3}\pi \left( {{1^2} + 1.2 + {2^2}} \right).2 = \frac{{14\pi }}{3}\).
Sử dụng tích phân, tính thể tích của hình chóp tứ giác đều có cạnh đáy bằng a và chiều cao bằng h (Hình 20).
Chọn trục Ox trùng với đường cao của hình chóp đều như hình vẽ, sao cho mặt đáy nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại x = 0.
Mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ h) cắt hình chóp đều theo mặt cắt là hình vuông đồng dạng với đáy của hình chóp theo tỉ số \(\frac{x}{h}\).
Do đó \(\frac{{S\left( x \right)}}{{{a^2}}} = {\left( {\frac{x}{h}} \right)^2}\)\( \Rightarrow S\left( x \right) = {\left( {\frac{x}{h}} \right)^2}{a^2} = \frac{{{a^2}}}{{{h^2}}}{x^2}\).
Do đó thể tích khối chóp tứ giác đều là:
\(V = \int\limits_0^h {\frac{{{a^2}}}{{{h^2}}}{x^2}dx} \)\( = \left. {\left( {\frac{{{a^2}}}{{{h^2}}}.\frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^h = \frac{1}{3}{a^2}h\).
