Bài học Toán THPT - Định nghĩa và ý nghĩa của đạo hàm

📘 BÀI HỌC TOÁN 11: ĐỊNH NGHĨA VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐẠO HÀM

Chương IX: Đạo hàm (Kết nối tri thức với cuộc sống)

1. Khái niệm Đạo hàm tại một điểm

📌 Định nghĩa:

Cho hàm số \(y = f(x)\) xác định trên khoảng \((a; b)\) và điểm \(x_0 \in (a; b)\).

Nếu tồn tại giới hạn hữu hạn:

\[ \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} \]

thì giới hạn đó được gọi là đạo hàm của hàm số \(y = f(x)\) tại điểm \(x_0\), ký hiệu là \(f'(x_0)\) hoặc \(y'(x_0)\).

Quy trình 3 bước tính đạo hàm bằng định nghĩa:

  • Bước 1: Giả sử \(\Delta x\) là số gia của biến số tại \(x_0\). Tính số gia tương ứng của hàm số: \[ \Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0) \]
  • Bước 2: Lập tỷ số \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\).
  • Bước 3: Tìm giới hạn \(\lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}\). Kết quả thu được chính là \(f'(x_0)\).

2. Ý nghĩa của Đạo hàm

a) Ý nghĩa Vật lý

• Vận tốc tức thời: Nếu một chuyển động có phương trình quãng đường là \(s = s(t)\) thì vận tốc tức thời của chuyển động tại thời điểm \(t_0\) là:

\[ v(t_0) = s'(t_0) \]

• Cường độ dòng điện tức thời: Cho điện lượng \(Q = Q(t)\) truyền qua dây dẫn. Cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm \(t_0\) là:

\[ I(t_0) = Q'(t_0) \]

b) Ý nghĩa Hình học

Đạo hàm \(f'(x_0)\) là hệ số góc \(k\) của tiếp tuyến của đồ thị hàm số \(y = f(x)\) tại điểm \(M_0(x_0; y_0)\):

\[ k = f'(x_0) \]

c) Phương trình tiếp tuyến của đồ thị hàm số

Phương trình tiếp tuyến của đồ thị hàm số \(y = f(x)\) tại điểm \(M_0(x_0; y_0)\) với \(y_0 = f(x_0)\) là:

\[ y - y_0 = f'(x_0)(x - x_0) \quad \Leftrightarrow \quad y = f'(x_0)(x - x_0) + y_0 \]

3. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 Tính đạo hàm bằng định nghĩa

Tính đạo hàm của hàm số \(f(x) = x^2 - 3x\) tại điểm \(x_0 = 2\).

Lời giải:

Cách 1: Dùng định nghĩa giới hạn trực tiếp:

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

Ta có \(f(2) = 2^2 - 3 \cdot 2 = -2\). Suy ra:

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

Vậy \(f'(2) = 1\).

Ví dụ 2 Viết phương trình tiếp tuyến

Cho hàm số \(y = x^2 + 2x\). Viết phương trình tiếp tuyến của đồ thị hàm số tại điểm có hoành độ \(x_0 = 1\).

Lời giải:

• Tung độ tiếp điểm: \(y_0 = f(1) = 1^2 + 2 \cdot 1 = 3 \Rightarrow M_0(1; 3)\).

• Hệ số góc của tiếp tuyến tại \(x_0 = 1\):

\[ k = f'(1) = \lim_{x \to 1} \frac{(x^2 + 2x) - 3}{x - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x - 1)(x + 3)}{x - 1} = \lim_{x \to 1} (x + 3) = 4 \]

• Phương trình tiếp tuyến tại \(M_0(1; 3)\) là:

\[ y = f'(1)(x - 1) + y_0 \Leftrightarrow y = 4(x - 1) + 3 \Leftrightarrow y = 4x - 1 \]

4. Luyện tập tự giải

Bài 1: Tính đạo hàm của hàm số \(f(x) = 2x^2 + 1\) tại điểm \(x_0 = -1\) bằng định nghĩa.
Bài 2: Cho hàm số \(y = x^3 - 2x\).

a) Tính hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị hàm số tại điểm có hoành độ \(x_0 = 2\).

b) Viết phương trình tiếp tuyến của đồ thị hàm số tại điểm đó.

Bài 3: Một vật chuyển động theo phương trình \(s(t) = 3t^2 + 2t\) (trong đó \(s\) tính bằng mét, \(t\) tính bằng giây). Tính vận tốc tức thời của vật tại thời điểm \(t = 3\) giây.

5. Vận dụng thực tế

📌 Bài toán Chuyển động thả rơi tự do:

Một quả bóng được thả rơi tự do từ một đài quan sát ở độ cao nhất định. Quãng đường rơi của quả bóng sau thời gian \(t\) giây được cho bởi công thức \(s(t) = 4,9t^2\) (với \(s\) tính bằng mét, \(t\) tính bằng giây).

Hỏi: Tính vận tốc tức thời của quả bóng tại thời điểm \(t = 4\) giây kể từ lúc bắt đầu thả.

Phân tích & Lời giải:

Vận tốc tức thời của quả bóng tại thời điểm \(t_0 = 4\) giây là đạo hàm của hàm số quãng đường \(s(t)\) tại \(t_0 = 4\):

\[ v(4) = s'(4) = \lim_{t \to 4} \frac{s(t) - s(4)}{t - 4} \]

Tính giá trị \(s(4)\):

\[ s(4) = 4,9 \cdot 4^2 = 4,9 \cdot 16 = 78,4 \text{ (m)} \]

Thay vào biểu thức giới hạn:

\[ v(4) = \lim_{t \to 4} \frac{4,9t^2 - 78,4}{t - 4} = \lim_{t \to 4} \frac{4,9(t^2 - 16)}{t - 4} \] \[ = \lim_{t \to 4} \frac{4,9(t - 4)(t + 4)}{t - 4} = \lim_{t \to 4} 4,9(t + 4) \] \[ = 4,9 \cdot (4 + 4) = 4,9 \cdot 8 = 39,2 \text{ (m/s)} \]

Kết luận: Vận tốc tức thời của quả bóng tại thời điểm 4 giây sau khi thả rơi là \(39,2 \text{ m/s}\).

6. Ghi nhớ & Mẹo làm bài

🎯 3 Khái niệm cốt lõi cần nhớ:
  1. Đạo hàm tại \(x_0\): \(f'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}\)
  2. Ý nghĩa vật lý: \(v(t) = s'(t)\) (Vận tốc tức thời là đạo hàm của quãng đường).
  3. Ý nghĩa hình học: Đạo hàm \(f'(x_0)\) chính là hệ số góc \(k\) của tiếp tuyến tại \(x_0\).
💡 Mẹo giải nhanh phương trình tiếp tuyến:
  • Để viết phương trình tiếp tuyến tại \(M_0(x_0; y_0)\), bạn cần xác định đủ 3 đại lượng: \(x_0\), \(y_0\) và \(k = f'(x_0)\).
  • Nếu bài toán cho trước hoành độ \(x_0\): Tìm \(y_0 = f(x_0)\) và \(k = f'(x_0)\).
  • Nếu bài toán cho trước tung độ \(y_0\): Giải phương trình \(f(x_0) = y_0\) để tìm \(x_0\), sau đó tính \(k\).
  • Nếu bài toán cho trước hệ số góc \(k\): Giải phương trình \(f'(x_0) = k\) để tìm hoành độ tiếp điểm \(x_0\).