Giải Bài Tập Bài 11: Nguyên Hàm - Toán 12 KNTT

GIẢI BÀI TẬP BÀI 11: NGUYÊN HÀM
(SGK TOÁN 12 - KẾT NỐI TRI THỨC)

Bài 4.1. Trong mỗi trường hợp sau, hàm số \(F(x)\) có là một nguyên hàm của hàm số \(f(x)\) trên khoảng tương ứng không? Vì sao?
a) \(F(x) = x \ln x\) và \(f(x) = 1 + \ln x\) trên khoảng \((0; +\infty)\);
b) \(F(x) = e^{\sin x}\) và \(f(x) = e^{\cos x}\) trên \(\mathbb{R}\).
Lời giải:

a) Trên khoảng \((0; +\infty)\), ta có:

\(F'(x) = (x \ln x)' = (x)' \cdot \ln x + x \cdot (\ln x)' = 1 \cdot \ln x + x \cdot \frac{1}{x} = \ln x + 1 = 1 + \ln x = f(x)\).

Vì \(F'(x) = f(x)\) với mọi \(x \in (0; +\infty)\) nên \(F(x)\) là một nguyên hàm của hàm số \(f(x)\) trên khoảng \((0; +\infty)\).

b) Trên \(\mathbb{R}\), ta có:

\(F'(x) = (e^{\sin x})' = (\sin x)' \cdot e^{\sin x} = \cos x \cdot e^{\sin x}\).

Trong khi đó \(f(x) = e^{\cos x}\). Dễ thấy \(F'(x) \neq f(x)\) với mọi \(x \in \mathbb{R}\) (chẳng hạn tại \(x = 0\) thì \(F'(0) = 1 \cdot e^0 = 1\), còn \(f(0) = e^1 = e \neq 1\)).

Vậy \(F(x)\) không là nguyên hàm của hàm số \(f(x)\) trên \(\mathbb{R}\).

Bài 4.2. Tìm nguyên hàm của các hàm số sau:
a) \(f(x) = 3x^2 + 2x - 1\);
b) \(f(x) = x^3 - x\);
c) \(f(x) = (2x + 1)^2\);
d) \(f(x) = \left(2x - \frac{1}{x}\right)^2\).
Lời giải:

a) \(\int (3x^2 + 2x - 1) \, dx = 3 \cdot \frac{x^3}{3} + 2 \cdot \frac{x^2}{2} - x + C = x^3 + x^2 - x + C\).

b) \(\int (x^3 - x) \, dx = \frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} + C\).

c) Ta có \(f(x) = (2x + 1)^2 = 4x^2 + 4x + 1\).
Do đó: \(\int (2x + 1)^2 \, dx = \int (4x^2 + 4x + 1) \, dx = \frac{4}{3}x^3 + 2x^2 + x + C\).

d) Ta có \(f(x) = \left(2x - \frac{1}{x}\right)^2 = 4x^2 - 4 + \frac{1}{x^2}\).
Do đó: \(\int \left(2x - \frac{1}{x}\right)^2 \, dx = \int \left(4x^2 - 4 + x^{-2}\right) \, dx = \frac{4}{3}x^3 - 4x - \frac{1}{x} + C\).

Bài 4.3. Tìm:
a) \(\int \left( 3\sqrt{x} + \frac{1}{\sqrt[3]{x}} \right) dx\);
b) \(\int \sqrt{x} (7x^2 - 3) \, dx \quad (x > 0)\);
c) \(\int \frac{(2x + 1)^2}{x^2} \, dx\);
d) \(\int \left( 2^x + \frac{3}{x^2} \right) dx\).
Lời giải:

a) \(\int \left( 3\sqrt{x} + \frac{1}{\sqrt[3]{x}} \right) dx = \int \left( 3x^{\frac{1}{2}} + x^{-\frac{1}{3}} \right) dx\)
\(= 3 \cdot \frac{x^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}} + \frac{x^{\frac{2}{3}}}{\frac{2}{3}} + C = 2x\sqrt{x} + \frac{3}{2}\sqrt[3]{x^2} + C\).

b) Với \(x > 0\):
\(\int \sqrt{x}(7x^2 - 3) \, dx = \int \left( 7x^{\frac{5}{2}} - 3x^{\frac{1}{2}} \right) dx = 7 \cdot \frac{x^{\frac{7}{2}}}{\frac{7}{2}} - 3 \cdot \frac{x^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}} + C = 2x^3\sqrt{x} - 2x\sqrt{x} + C\).

c) \(\int \frac{(2x + 1)^2}{x^2} \, dx = \int \frac{4x^2 + 4x + 1}{x^2} \, dx = \int \left( 4 + \frac{4}{x} + \frac{1}{x^2} \right) dx\)
\(= 4x + 4\ln|x| - \frac{1}{x} + C\).

d) \(\int \left( 2^x + \frac{3}{x^2} \right) dx = \int (2^x + 3x^{-2}) \, dx = \frac{2^x}{\ln 2} - \frac{3}{x} + C\).

Bài 4.4. Tìm:
a) \(\int \left( 2\cos x - \frac{3}{\sin^2 x} \right) dx\);
b) \(\int 4\sin^2 \frac{x}{2} \, dx\);
c) \(\int \left( \sin \frac{x}{2} - \cos \frac{x}{2} \right)^2 dx\);
d) \(\int (x + \tan^2 x) \, dx\).
Lời giải:

a) \(\int \left( 2\cos x - \frac{3}{\sin^2 x} \right) dx = 2\sin x + 3\cot x + C\).

b) Sử dụng công thức hạ bậc: \(\sin^2 \frac{x}{2} = \frac{1 - \cos x}{2}\).
\(\int 4\sin^2 \frac{x}{2} \, dx = \int 4 \cdot \frac{1 - \cos x}{2} \, dx = \int (2 - 2\cos x) \, dx = 2x - 2\sin x + C\).

c) Ta có \(\left( \sin \frac{x}{2} - \cos \frac{x}{2} \right)^2 = \sin^2 \frac{x}{2} - 2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2} + \cos^2 \frac{x}{2} = 1 - \sin x\).
Do đó: \(\int \left( \sin \frac{x}{2} - \cos \frac{x}{2} \right)^2 dx = \int (1 - \sin x) \, dx = x + \cos x + C\).

d) Ta có \(\tan^2 x = (1 + \tan^2 x) - 1 = \frac{1}{\cos^2 x} - 1\).
Do đó: \(\int (x + \tan^2 x) \, dx = \int \left( x - 1 + \frac{1}{\cos^2 x} \right) dx = \frac{x^2}{2} - x + \tan x + C\).

Bài 4.5. Cho hàm số \(y = f(x)\) xác định trên khoảng \((0; +\infty)\). Biết rằng, \(f'(x) = 2x + \frac{1}{x^2}\) với mọi \(x \in (0; +\infty)\) và \(f(1) = 1\). Tính giá trị \(f(4)\).
Lời giải:

Vì \(f'(x) = 2x + \frac{1}{x^2}\) nên \(f(x)\) là một nguyên hàm của \(f'(x)\) trên \((0; +\infty)\):

\(f(x) = \int \left( 2x + \frac{1}{x^2} \right) dx = x^2 - \frac{1}{x} + C\).

Theo giả thiết \(f(1) = 1\), thay \(x = 1\) vào biểu thức trên:

\(1^2 - \frac{1}{1} + C = 1 \Leftrightarrow 0 + C = 1 \Leftrightarrow C = 1\).

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

Tính \(f(4)\):

\(f(4) = 4^2 - \frac{1}{4} + 1 = 16 - 0,25 + 1 = 16,75 = \frac{67}{4}\).

Bài 4.6. Cho hàm số \(y = f(x)\) có đồ thị là \((C)\). Xét điểm \(M(x; f(x))\) thay đổi trên \((C)\). Biết rằng, hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị \((C)\) tại \(M\) là \(k_M = (x - 1)^2\) và điểm \(M\) trùng với gốc tọa độ khi nó nằm trên trục tung. Tìm biểu thức \(f(x)\).
Lời giải:

Hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị \((C)\) tại điểm \(M(x; f(x))\) chính là đạo hàm của hàm số tại \(x\):

\(f'(x) = k_M = (x - 1)^2 = x^2 - 2x + 1\).

Do đó, \(f(x)\) là một nguyên hàm của \(f'(x)\):

\(f(x) = \int (x^2 - 2x + 1) \, dx = \frac{x^3}{3} - x^2 + x + C\).

Khi điểm \(M\) nằm trên trục tung (tức \(x = 0\)), theo đề bài \(M\) trùng với gốc tọa độ \(O(0; 0)\). Điều này có nghĩa là đồ thị đi qua điểm \(O(0; 0)\), hay \(f(0) = 0\).

Thay \(x = 0\) vào \(f(x)\):

\(f(0) = \frac{0^3}{3} - 0^2 + 0 + C = 0 \Rightarrow C = 0\).

Vậy biểu thức của hàm số là: \(f(x) = \frac{x^3}{3} - x^2 + x\).

Bài 4.7. Một viên đạn được bắn thẳng đứng lên trên từ mặt đất. Giả sử tại thời điểm \(t\) giây (coi \(t = 0\) là thời điểm viên đạn được bắn lên), vận tốc của nó được cho bởi \(v(t) = 160 - 9,8t \text{ (m/s)}\). Tìm độ cao của viên đạn (tính từ mặt đất):
a) Sau \(t = 5\) giây;
b) Khi nó đạt độ cao lớn nhất (làm tròn kết quả đến chữ số thập phân thứ nhất).
Lời giải:

Gọi \(h(t)\) là độ cao của viên đạn tại thời điểm \(t\) giây (tính từ mặt đất). Ta có \(h'(t) = v(t)\).

Do đó, \(h(t)\) là một nguyên hàm của hàm vận tốc \(v(t)\):

\(h(t) = \int v(t) \, dt = \int (160 - 9,8t) \, dt = 160t - 4,9t^2 + C\).

Vì viên đạn được bắn lên từ mặt đất tại thời điểm \(t = 0\) nên độ cao ban đầu \(h(0) = 0\):

\(h(0) = 160(0) - 4,9(0)^2 + C = 0 \Rightarrow C = 0\).

Vậy biểu thức độ cao của viên đạn theo thời gian là: \(h(t) = 160t - 4,9t^2 \text{ (m)}\).

a) Độ cao của viên đạn sau \(t = 5\) giây:

\(h(5) = 160(5) - 4,9(5)^2 = 800 - 4,9 \cdot 25 = 800 - 122,5 = 677,5 \text{ (m)}\).

b) Độ cao lớn nhất của viên đạn:

Viên đạn đạt độ cao lớn nhất khi vận tốc của nó bằng \(0\):

\(v(t) = 0 \Leftrightarrow 160 - 9,8t = 0 \Leftrightarrow t = \frac{160}{9,8} = \frac{800}{49} \approx 16,33 \text{ (giây)}\).

Độ cao lớn nhất khi đó là:

\(h_{\max} = h\left(\frac{800}{49}\right) = 160 \cdot \frac{800}{49} - 4,9 \cdot \left(\frac{800}{49}\right)^2 = \frac{128000}{49} - \frac{320000}{49} = \frac{640000}{49} \approx 1306,122 \approx 1306,1 \text{ (m)}\).