(Trả lời ngắn) 22 bài tập Ứng dụng hình học của tích phân (có lời giải)

\(\frac{4}{{15}}\)

Diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = {x^2} + x - 1\), \(y = {x^4} + x - 1\), \(x =  - 1,x = 1\) là 

\(S = \int\limits_{ - 1}^1 {\left| {{x^2} - {x^4}} \right|{\rm{d}}} x = \int\limits_{ - 1}^0 {\left| {{x^2} - {x^4}} \right|{\rm{d}}} x + \int\limits_0^1 {\left| {{x^2} - {x^4}} \right|{\rm{d}}} x\)

\( = \left| {\int\limits_{ - 1}^0 {\left( {{x^2} - {x^4}} \right){\rm{d}}} x} \right| + \left| {\int\limits_0^1 {\left( {{x^2} - {x^4}} \right){\rm{d}}} x} \right| = \left| {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} - \frac{{{x^5}}}{5}} \right)\left| \begin{array}{l}0\\ - 1\end{array} \right.} \right| + \left| {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} - \frac{{{x^5}}}{5}} \right)\left| \begin{array}{l}1\\0\end{array} \right.} \right| = \frac{2}{{15}} + \frac{2}{{15}} = \frac{4}{{15}}\).

\[t = 3\]

Ta có: \[S\left( t \right) = \int\limits_1^t {\left| {2x + 1} \right|} {\rm{ d}}x = \int\limits_1^t {\left( {2x + 1} \right)} {\rm{ d}}x\].

Suy ra \[S\left( t \right) = \left. {\left( {{x^2} + x} \right)} \right|_1^t = {t^2} + t - 2\].

Do đó \[S\left( t \right) = 10 \Leftrightarrow {t^2} + t - 2 = 10 \Leftrightarrow {t^2} + t - 12 = 0 \Leftrightarrow \left[ \begin{array}{l}t = 3\\t =  - 4{\rm{ }}\left( L \right)\end{array} \right.\].

Vậy \[t = 3\].

\(m = 2\)

Vì \(m > 0\) nên \(2x + 3 > 0,\,\forall x \in \left[ {0\,;\,m} \right]\).

Diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = 2x + 3\) và các đường thẳng \(y = 0,\,x = 0\,,\,x = m\) là:

\(S = \int\limits_0^m {\left( {2x + 3} \right).{\rm{d}}x}  = \left. {\left( {{x^2} + 3x} \right)} \right|_0^m = {m^2} + 3m\).

Theo giả thiết ta có:

\(S = 10 \Leftrightarrow {m^2} + 3m = 10 \Leftrightarrow {m^2} + 3m - 10 = 0 \Leftrightarrow \left[ \begin{array}{l}m = 2\\m =  - 5\,\end{array} \right. \Leftrightarrow m = 2\,\,\,\left( {{\rm{do}}\,\,\,m > 0} \right)\).

\(\frac{{{S_1}}}{{{S_2}}} = 2\)

Ta có diện tích hình vuông \(OABC\) là \(16\) và bằng \({S_1}\, + \,{S_2}\).

\({S_2} = \,\,\int\limits_0^4 {\frac{1}{4}{x^2}{\rm{d}}x} \,\, = \,\left. {\,\frac{{{x^3}}}{{12}}} \right|_0^4\, = \,\,\frac{{16}}{3}\)\[\,\, \Rightarrow \,\,\,\,\frac{{{S_1}}}{{{S_2}}}\,\,\, = \,\,\,\frac{{16 - {S_2}}}{{{S_2}}}\,\,\, = \,\,\,\frac{{16 - \frac{{16}}{3}}}{{\frac{{16}}{3}}}\,\,\, = \,\,\,2\]

\[k = \ln 3\]

Diện tích hình thang cong \[\left( H \right)\] giới hạn bởi các đường \[y = {{\rm{e}}^x}\], \[y = 0\], \[x = 0\], \[x = \ln 4\] là

\[S = \int\limits_0^{\ln 4} {{{\rm{e}}^x}{\rm{d}}x}  = \left. {{{\rm{e}}^x}} \right|_0^{\ln 4} = \]\[{{\rm{e}}^{\ln 4}} - {{\rm{e}}^0} = 4 - 1 = 3\](đvdt).

Ta có \[S = {S_1} + {S_2} = {S_1} + \frac{1}{2}{S_1} = \frac{3}{2}{S_1}\]. Suy ra \[{S_1} = \frac{{2S}}{3} = \frac{{2.3}}{3} = 2\] (đvdt).

Vì \[{S_1}\] là phần diện tích được giới hạn bởi các đường \[y = {{\rm{e}}^x}\], \[y = 0\], \[x = 0\], \[x = k\] nên

\[2 = {S_1} = \int\limits_0^k {{{\rm{e}}^x}{\rm{d}}x}  = \left. {{{\rm{e}}^x}} \right|_0^k = \]\[{{\rm{e}}^k} - {{\rm{e}}^0} = {{\rm{e}}^k} - 1\].

Do đó \[{{\rm{e}}^k} = 3 \Leftrightarrow k = \ln 3\].

\(\frac{{128}}{7}\)

Diện tích thiết diện là \(S\left( x \right) = \sqrt {{x^3}} .\sqrt {{x^3}}  = {x^6}\).

Thể tích của vật thể \(\left( T \right)\) là \(V = \int\limits_0^2 {S\left( x \right)} dx = \int\limits_0^2 {{x^6}} dx = \frac{{128}}{7}\).

\(\frac{{11}}{6}\)

Diện tích tam giác vuông cân là: \(S(x) = \frac{1}{2}\sqrt {4 - \frac{1}{2}{x^2}} .\sqrt {4 - \frac{1}{2}{x^2}}  = \frac{1}{2}\left( {4 - \frac{1}{2}{x^2}} \right)\)

\( \Rightarrow \) Thể tích vật thể là: \(V = \int\limits_1^3 {\frac{1}{2}\left( {4 - \frac{1}{2}{x^2}} \right)dx = \frac{{11}}{6}} \)

\(V = \frac{{81\pi }}{{35}}\)

Thể tích khối tròn xoay sinh ra khi quay hình phẳng \(\left( H \right)\) quanh trục \[Ox\] là :

\(V = \pi \int\limits_0^3 {{{\left( {\frac{1}{3}{x^3} - {x^2}} \right)}^2}{\rm{d}}x}  = \pi \int\limits_0^3 {\left( {\frac{1}{9}{x^6} - \frac{2}{3}{x^5} + {x^4}} \right){\rm{d}}x}  = \frac{{81\pi }}{{35}}\).

Vậy thể tích khối tròn xoay cần tính là : \(V = \frac{{81\pi }}{{35}}\).

\(a = 3\)

Ta có: \[V = \pi \int\limits_0^4 {xdx = \pi } \left. {\frac{{{x^2}}}{2}} \right|_0^4 = 8\pi \]. Mà \(V = 2{V_1} \Rightarrow {V_1} = 4\pi \).

Gọi \(K\) là hình chiếu của \(M\) trên \(Ox\) \( \Rightarrow OK = a,\;KH = 4 - a,\;MK = \sqrt a \).

Khi xoay tam giác \(OMH\)quanh \(Ox\) ta được khối tròn xoay là sự lắp ghép của hai khối nón sinh bởi các tam giác \(OMK,\,\,MHK\), hai khối nón đó có cùng mặt đáy và có tổng chiều cao là \(OH = 4\)nên thể tích của khối tròn xoay đó là \({V_1} = \frac{1}{3}.\pi .4.{\left( {\sqrt a } \right)^2} = \frac{{4\pi a}}{3}\), từ đó suy ra \(a = 3\).

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: \(S(x) = \frac{1}{2}{\left( {\sqrt {4 - {x^2}} } \right)^2} = \frac{1}{2}\left( {4 - {x^2}} \right) = 2 - \frac{1}{2}{x^2}\)

Thể tích vật thể là: \(V = \int_{ - 2}^2 {\left( {2 - \frac{1}{2}{x^2}} \right)} dx = \left. {\left( {2x - \frac{{{x^3}}}{6}} \right)} \right|_{ - 2}^2 = \frac{8}{3} + \frac{8}{3} = \frac{{16}}{3}\)

Thể tích cần tính là: \(V = \pi \int_0^4 {(4 - x)} dx = \left. {\pi \left( {4x - \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^4 = 8\pi .\)

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 \({r_1} = OA = 1\), bán kính đáy lớn \({r_2} = BC = 2\) và chiều cao \(h\) \( = OC = 2\).

Thể tích cần tính là: \(V = \frac{1}{3}\pi \left( {r_1^2 + {r_1}{r_2} + r_2^2} \right)h = \frac{1}{3}\pi \left( {{1^2} + 1 \cdot 2 + {2^2}} \right) \cdot 2 = \frac{{14\pi }}{3}\)

Quãng đường vật đi được trong khoảng thời gian từ \(t = 0\) đến \(t = 5\) là:

\(s = \int_0^5 v (t)dt = \int_0^5 {(3t + 4)} dt = \left. {\left( {3\frac{{{t^2}}}{2} + 4t} \right)} \right|_0^5 = 57,5\;{\rm{m}}\)

Tốc độ của chất điểm tại thời điểm \(t\) kể từ khi bắt đầu tăng tốc là:

\(v(t) = \int a (t)dt = \int 3 dt = 3t + C{\rm{. }}\)

Vì \(v(0) = 1\) nên \(C = 1\).

Do đó \(v(t) = 3t + 1\).

Sau 10 giây tốc độ của chất điểm là: v(10)=3.10+1=31 m/s

Ta tính diện tích phần cổng hình parabol. Chọn hệ trục tọa độ Oxy với gốc tọa độ O trùng với chân bên trái cổng parabol như hình sau:

Gọi phương trình parabol là \(y = f(x) = a{x^2} + bx + c(a \ne 0)\).

Parabol đi qua các điểm \((0;0),(2;4,8)\) và \((4;0)\) nên ta có:

Do đó, \(y = f(x) =  - 1,2{x^2} + 4,8x\).

Diện tích phần cổng hình parabol chính là diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = f(x) =  - 1,2{x^2} + 4,8x\), trục $O x$ và hai đường thẳng \(x = 0,x = 4\).

Ta có \({S_p} = \int_0^4 {\left( { - 1,2{x^2} + 4,8x} \right)} dx = \left. {\left( { - 0,4{x^3} + 2,4{x^2}} \right)} \right|_0^4 = 12,8\left( {\;{{\rm{m}}^2}} \right)\).

Diện tích phần mặt ngoài của bức tường cần sơn là: \(S = 10 \cdot (2 + 4 + 2) - 12,8 = 67,2\left( {{m^2}} \right){\rm{. }}\)

Tổng chi phí để sơn lại toàn bộ mặt ngoài của bức tường đó là: \(67,2 \cdot 15000 = 1008000{\rm{ (d?ng)}}{\rm{. }}\)

Chọn hệ tọa độ Oxy với gốc tọa độ O trùng với chân cửa bên trái như hình dưới đây.

Gọi đồ thị hàm số biểu thị cho cửa đã cho có dạng \(y = a{x^2} + bx + c(a \ne 0)\).

Đồ thị hàm số này đi qua gốc tọa độ \(O(0;0)\) và các điểm \((35;21),(70;0)\) nên

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{\rm{c}} = 0}\\{{\rm{a}} \cdot {{35}^2} + {\rm{b}} \cdot 35 + {\rm{c}} = 21 \Leftrightarrow }\\{{\rm{a}} \cdot {{70}^2} + {\rm{b}} \cdot 70 + {\rm{c}} = 0}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{\rm{a}} =  - \frac{3}{{175}}}\\{\;{\rm{b}} = \frac{6}{5}}\\{{\rm{c}} = 0}\end{array}} \right.} \right.{\rm{. }}\)Suy ra \(y =  - \frac{3}{{175}}{x^2} + \frac{6}{5}x\)

Diện tích mặt kính cần lắp \(V\) là diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y =  - \frac{3}{{175}}{x^2} + \frac{6}{5}x\), trục O và hai đường thẳng \({\rm{x}} = 0,{\rm{x}} = 70\).

Ta có” \(V = \int_0^{70} {\left( { - \frac{3}{{175}}{x^2} + \frac{6}{5}x} \right)} dx = \left. {\left( { - \frac{{{x^3}}}{{175}} + \frac{{3{x^2}}}{5}} \right)} \right|_0^{70} =  - \frac{{{{70}^3}}}{{175}} + \frac{{3 \cdot {{70}^2}}}{5} = 980\left( {\;{{\rm{m}}^2}} \right)\)

Cửa có hình dạng một parabol \((P)\) với phương trình \(y = a{x^2} + bx + c\).

Parabol \((P)\) có đỉnh \(I\left( {0;\frac{9}{4}} \right)\) nên \(c = \frac{9}{4}\), suy ra \((P):y = a{x^2} + bx + \frac{9}{4}\).

Vì parabol \((P)\) đi qua các điểm \(A\left( { - \frac{3}{2},0} \right),B\left( {\frac{3}{2};0} \right)\) nên \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{\frac{9}{4}a - \frac{3}{2}b =  - \frac{9}{4}}\\{\frac{9}{4}a + \frac{3}{2}b =  - \frac{9}{4}}\end{array}} \right.\), suy ra \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{a =  - 1}\\{b = 0}\end{array}} \right.\)

Do đó \((P):y =  - {x^2} + \frac{9}{4}\).

Gọi \(S\left( {\;{{\rm{m}}^2}} \right)\) là diện tích kính cẩn lắp. Ta có \(S\) bằng diện tích hình phẳng \((H)\) giới hạn bởi parabol, trục hoành và các đường thẳng \(x =  - \frac{3}{2},x = \frac{3}{2}\).

\(S = \int_{ - \frac{3}{2}}^{\frac{3}{2}} {\left( { - {x^2} + \frac{9}{4}} \right)} {\rm{d}}x = \left. {\left( { - \frac{{{x^3}}}{3} + \frac{9}{4}x} \right)} \right|_{ - \frac{3}{2}}^{\frac{3}{2}} = \frac{9}{2}\left( {{m^2}} \right)\)

Vậy diện tích kính cản lắp là \(\frac{9}{2}{m^2}\).

Chọn trục Ox như hình vẽ, hai đáy của bình nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục $O x$ tại \(x = 0\) và \(x = h\).

Mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ \(x(0 \le x \le 4)\) cắt bình theo mặt cắt là hình vuông và có diện tích là \(S(x) = 2 + \frac{{{x^2}}}{4}\left( {{\rm{d}}{{\rm{m}}^2}} \right)\).

Do đó dung tích của bình là \(V = \int_0^4 {\left( {2 + \frac{{{x^2}}}{4}} \right)} dx = \left. {\left( {2x + \frac{{{x^3}}}{{12}}} \right)} \right|_0^4 = \frac{{40}}{3}\left( {{\rm{d}}{{\rm{m}}^3}} \right)\).

\[V = \pi \int\limits_0^4 {{{\left( {\sqrt x  + \frac{3}{2}} \right)}^2}dx}  = 33\pi {\rm{ }}\left( {d{m^3}} \right)\].

Thể tích thùng rượu vang đó là:

\({\rm{V}} = \pi \int_{ - 35}^{35} {{{\left( { - 0,011{{\rm{x}}^2} - 0,071{\rm{x}} + 40} \right)}^2}} {\rm{dx}}\)

\( = \pi \int_{ - 35}^{35} {\left( {0,000121{{\rm{x}}^4} + 0,005041{{\rm{x}}^2} + 1600 + 0,001562{{\rm{x}}^3} - 0,88{{\rm{x}}^2} - 5,68{\rm{x}}} \right)} {\rm{dx}}\)

\( = \pi \int_{ - 35}^{35} {\left( {0,000121{{\rm{x}}^4} + 0,001562{{\rm{x}}^3} - 0,874959{{\rm{x}}^2} - 5,68{\rm{x}} + 1600} \right)} {\rm{dx}}\)

\( = \left. {\pi \left( {0,0000242{{\rm{x}}^5} + 0,0003905{{\rm{x}}^4} - 0,291653{{\rm{x}}^3} - 2,84{{\rm{x}}^2} + 1600{\rm{x}}} \right)} \right|_{ - 35}^{35}\)

\( = \pi [41873,40106 - ( - 47659,41294)] \approx 281275,6307\left( {\;{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}} \right).\)

Diện tích của mặt cắt là: \(S(x) = \pi {(10 + \sqrt x )^2}\).

Dung tích của chậu là:

\(V = \int_0^{16} S (x)dx = \pi \int_0^{16} {{{(10 + \sqrt x )}^2}} dx = \pi \int_0^{16} {(100 + 20\sqrt x  + x)} dx = \left. {\pi \left( {100x + \frac{{40}}{3}{x^{\frac{3}{2}}} + \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^{16} = \frac{{7744}}{3}\pi \)

Diện tích mặt cắt là: \(S(x) = \left( {9 - {x^2}} \right)\left( {{{\rm{m}}^2}} \right)\).

Thể tích của lều là: \(V = \int_0^3 {\left( {9 - {x^2}} \right)} dx = \left. {\left( {9x - \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^3 = 18\).