Giải Bài Tập Bài 31: Định nghĩa và ý nghĩa của đạo hàm - Toán 11 KNTT

BÀI 31: ĐỊNH NGHĨA VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐẠO HÀM
(SGK TOÁN 11 - KẾT NỐI TRI THỨC VỚI CUỘC SỐNG)

Bài 9.1. Tính (bằng định nghĩa) đạo hàm của các hàm số sau:
a) \(y = x^2 - x\) tại \(x_0 = 1\);
b) \(y = -x^3\) tại \(x_0 = -1\).
Lời giải:

a) \(y = f(x) = x^2 - x\) tại \(x_0 = 1\):

Ta có: \(f(1) = 1^2 - 1 = 0\).

Áp dụng định nghĩa đạo hàm bằng giới hạn trực tiếp:

\[f'(1) = \lim_{x \to 1} \frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x^2 - x) - 0}{x - 1}\] \[= \lim_{x \to 1} \frac{x(x - 1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1} x = 1\]

Vậy \(y'(1) = 1\).

b) \(y = f(x) = -x^3\) tại \(x_0 = -1\):

Ta có: \(f(-1) = -(-1)^3 = 1\).

Áp dụng định nghĩa đạo hàm bằng giới hạn trực tiếp:

\[f'(-1) = \lim_{x \to -1} \frac{f(x) - f(-1)}{x - (-1)} = \lim_{x \to -1} \frac{-x^3 - 1}{x + 1}\] \[= \lim_{x \to -1} \frac{-(x^3 + 1)}{x + 1} = \lim_{x \to -1} \frac{-(x + 1)(x^2 - x + 1)}{x + 1}\] \[= \lim_{x \to -1} [-(x^2 - x + 1)] = -((-1)^2 - (-1) + 1) = -3\]

Vậy \(y'(-1) = -3\).

Bài 9.2. Sử dụng định nghĩa, tìm đạo hàm của các hàm số sau:
a) \(y = kx^2 + c\) (với \(k, c\) là các hằng số);
b) \(y = x^3\).
Lời giải:

a) \(y = f(x) = kx^2 + c\):

Với điểm \(x\) bất kỳ trên \(\mathbb{R}\), áp dụng định nghĩa đạo hàm bằng giới hạn trực tiếp:

\[f'(x) = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{(kt^2 + c) - (kx^2 + c)}{t - x}\] \[= \lim_{t \to x} \frac{k(t^2 - x^2)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{k(t - x)(t + x)}{t - x}\] \[= \lim_{t \to x} [k(t + x)] = k(x + x) = 2kx\]

Vậy \(y' = 2kx\).

b) \(y = f(x) = x^3\):

Với điểm \(x\) bất kỳ trên \(\mathbb{R}\), áp dụng định nghĩa đạo hàm bằng giới hạn trực tiếp:

\[f'(x) = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{t^3 - x^3}{t - x}\] \[= \lim_{t \to x} \frac{(t - x)(t^2 + tx + x^2)}{t - x} = \lim_{t \to x} (t^2 + tx + x^2)\] \[= x^2 + x \cdot x + x^2 = 3x^2\]

Vậy \(y' = 3x^2\).

Bài 9.3. Viết phương trình tiếp tuyến của parabol \(y = -x^2 + 4x\), biết:
a) Tiếp điểm có hoành độ \(x_0 = 1\);
b) Tiếp điểm có tung độ \(y_0 = 0\).
Lời giải:

Xét hàm số \(y = f(x) = -x^2 + 4x\). Ta có đạo hàm của hàm số là \(f'(x) = -2x + 4\).

a) Tiếp điểm có hoành độ \(x_0 = 1\):

  • Tung độ tiếp điểm: \(y_0 = f(1) = -(1)^2 + 4(1) = 3 \Rightarrow\) Tiếp điểm \(M_0(1; 3)\).
  • Hệ số góc của tiếp tuyến tại \(x_0 = 1\): \[k = f'(1) = -2(1) + 4 = 2\]
  • Phương trình tiếp tuyến tại \(M_0(1; 3)\): \[y - 3 = 2(x - 1) \Leftrightarrow y = 2x + 1\]

b) Tiếp điểm có tung độ \(y_0 = 0\):

  • Giải phương trình tìm hoành độ tiếp điểm \(x_0\): \[f(x_0) = 0 \Leftrightarrow -x_0^2 + 4x_0 = 0 \Leftrightarrow \begin{bmatrix} x_0 = 0 \\ x_0 = 4 \end{bmatrix}\]
  • Trường hợp 1: Với \(x_0 = 0 \Rightarrow y_0 = 0\), tiếp điểm \(M_1(0; 0)\).
    Hệ số góc tiếp tuyến: \(k_1 = f'(0) = -2(0) + 4 = 4\).
    Phương trình tiếp tuyến: \(y - 0 = 4(x - 0) \Leftrightarrow y = 4x\).
  • Trường hợp 2: Với \(x_0 = 4 \Rightarrow y_0 = 0\), tiếp điểm \(M_2(4; 0)\).
    Hệ số góc tiếp tuyến: \(k_2 = f'(4) = -2(4) + 4 = -4\).
    Phương trình tiếp tuyến: \(y - 0 = -4(x - 4) \Leftrightarrow y = -4x + 16\).
Bài 9.4. Một vật được phóng theo phương thẳng đứng lên trên từ mặt đất với vận tốc ban đầu là \(19,6\text{ m/s}\) thì độ cao \(h\) của nó (tính bằng mét) sau \(t\) giây được cho bởi công thức \(h = 19,6t - 4,9t^2\). Tìm vận tốc của vật khi nó chạm đất.
Lời giải:
  • Vật chạm đất khi độ cao \(h = 0\) mét (\(t > 0\)): \[19,6t - 4,9t^2 = 0 \Leftrightarrow 4,9t(4 - t) = 0 \Leftrightarrow t = 4\text{ (giây)}\] Vậy vật chạm đất sau 4 giây kể từ khi được phóng.
  • Vận tốc tức thời của vật tại thời điểm \(t\) là đạo hàm của độ cao theo thời gian \(t\): \[v(t) = h'(t) = (19,6t - 4,9t^2)' = 19,6 - 9,8t\text{ (m/s)}\]
  • Vận tốc của vật tại thời điểm chạm đất (\(t = 4\)): \[v(4) = 19,6 - 9,8 \times 4 = 19,6 - 39,2 = -19,6\text{ (m/s)}\]

Vậy vận tốc của vật khi chạm đất là \(-19,6\text{ m/s}\) (dấu âm thể hiện chiều di chuyển của vật đang đi xuống).

Bài 9.5. Một kỹ sư thiết kế một đường ray tàu lượn, mà mặt cắt của nó gồm một cung đường cong có dạng parabol (H.9.6a), đoạn dốc lên \(L_1\) và đoạn dốc xuống \(L_2\) là những phần đường thẳng có hệ số góc lần lượt là \(0,5\) và \(-0,75\). Để tàu lượn chạy êm và không bị đổi hướng đột ngột, \(L_1\) và \(L_2\) phải là những tiếp tuyến của cung parabol tại các điểm chuyển tiếp \(P\) và \(Q\) (H.9.6b). Giả sử gốc tọa độ đặt tại \(P\) và phương trình của parabol là \(y = ax^2 + bx + c\), trong đó \(x\) tính bằng mét.
a) Tìm \(c\).
b) Tính \(y'(0)\) và tìm \(b\).
c) Giả sử khoảng cách theo phương ngang giữa \(P\) và \(Q\) là \(40\text{ m}\). Tìm \(a\).
d) Tìm chênh lệch độ cao giữa hai điểm chuyển tiếp \(P\) và \(Q\).
Lời giải:

Phương trình parabol \(y = f(x) = ax^2 + bx + c\). Đạo hàm \(y' = f'(x) = 2ax + b\).

a) Tìm \(c\):

Vì gốc tọa độ \(O(0; 0)\) đặt tại điểm chuyển tiếp \(P\), nên tọa độ của \(P\) là \((0; 0)\).
Thay tọa độ \(P(0; 0)\) vào phương trình parabol: \[0 = a(0)^2 + b(0) + c \Rightarrow c = 0\]

b) Tính \(y'(0)\) và tìm \(b\):

Đường thẳng dốc lên \(L_1\) là tiếp tuyến của parabol tại điểm chuyển tiếp \(P(0; 0)\).
Theo ý nghĩa hình học của đạo hàm, hệ số góc của tiếp tuyến \(L_1\) tại \(x = 0\) bằng \(y'(0)\).
Đề bài cho hệ số góc của \(L_1\) là \(0,5\), nên: \[y'(0) = 0,5\]

Mặt khác \(y'(0) = 2a(0) + b = b\), suy ra \(b = 0,5\).

c) Tìm \(a\):

  • Khoảng cách theo phương ngang giữa \(P\) và \(Q\) là \(40\text{ m}\), mà \(x_P = 0\) nên hoành độ của điểm \(Q\) là \(x_Q = 40\).
  • Đường thẳng dốc xuống \(L_2\) là tiếp tuyến của parabol tại điểm chuyển tiếp \(Q(40; y_Q)\).
    Hệ số góc của tiếp tuyến \(L_2\) tại \(x_Q = 40\) là \(-0,75\).
  • Ta có: \[y'(40) = -0,75 \Leftrightarrow 2a(40) + b = -0,75\] \[80a + 0,5 = -0,75 \Leftrightarrow 80a = -1,25 \Leftrightarrow a = -\frac{1,25}{80} = -\frac{1}{64} = -0,015625\]

d) Tìm chênh lệch độ cao giữa hai điểm chuyển tiếp \(P\) và \(Q\):

  • Phương trình parabol hoàn chỉnh là: \[y = -\frac{1}{64}x^2 + 0,5x\]
  • Tung độ của điểm \(P(0; 0)\) là \(y_P = 0\).
  • Tung độ của điểm \(Q(40; y_Q)\): \[y_Q = -\frac{1}{64}(40)^2 + 0,5(40) = -\frac{1600}{64} + 20 = -25 + 20 = -5\text{ (m)}\]
  • Chênh lệch độ cao giữa hai điểm \(P\) và \(Q\) là: \[|y_P - y_Q| = |0 - (-5)| = 5\text{ (m)}\]

Vậy chênh lệch độ cao giữa hai điểm chuyển tiếp \(P\) và \(Q\) là \(5\text{ m}\).