Bài học Toán THPT - Tích Phân

∫ BÀI HỌC TOÁN 12: TÍCH PHÂN

Sách giáo khoa Toán 12 - Kết nối tri thức với cuộc sống (Chương IV)

1. Khái niệm Tích phân

📌 Định nghĩa Tích phân (Công thức Newton - Leibniz):

Cho hàm số \(f(x)\) liên tục trên đoạn \([a; b]\). Giả sử \(F(x)\) là một nguyên hàm của \(f(x)\) trên đoạn \([a; b]\).

Hiệu số \(F(b) - F(a)\) được gọi là tích phân của hàm số \(f(x)\) từ \(a\) đến \(b\), ký hiệu là:

\[ \int_{a}^{b} f(x) \, dx = \left. F(x) \right|_{a}^{b} = F(b) - F(a) \]

Trong đó:

  • \(a\) gọi là cận dưới, \(b\) gọi là cận trên.
  • \(f(x)dx\) gọi là biểu thức dưới dấu tích phân, \(x\) là biến số tích phân.
💡 Quy ước đặc biệt:
  • Khi cận trên và cận dưới bằng nhau: \(\int_{a}^{a} f(x) \, dx = 0\)
  • Khi đổi chỗ hai cận: \(\int_{a}^{b} f(x) \, dx = - \int_{b}^{a} f(x) \, dx\)
  • Tích phân không phụ thuộc vào tên biến: \[ \int_{a}^{b} f(x) \, dx = \int_{a}^{b} f(t) \, dt = \int_{a}^{b} f(u) \, du \]

2. Các tính chất cơ bản của Tích phân

📌 Bảng các tính chất quan trọng:
  • Tính chất hằng số: Với mọi số thực \(k\): \[ \int_{a}^{b} k \cdot f(x) \, dx = k \int_{a}^{b} f(x) \, dx \]
  • Tính chất tổng / hiệu: \[ \int_{a}^{b} \left[ f(x) \pm g(x) \right] dx = \int_{a}^{b} f(x) \, dx \pm \int_{a}^{b} g(x) \, dx \]
  • Tính chất tách đoạn (Chèn cận): Với điểm \(c \in (a; b)\): \[ \int_{a}^{b} f(x) \, dx = \int_{a}^{c} f(x) \, dx + \int_{c}^{b} f(x) \, dx \]
  • Tính chất không âm: Nếu \(f(x) \ge 0\) trên \([a; b]\) thì \(\int_{a}^{b} f(x) \, dx \ge 0\).
⚠️ Mẹo tính nhanh: Tính chất chèn cận \(\int_{a}^{b} = \int_{a}^{c} + \int_{c}^{b}\) cực kỳ hữu ích khi xử lý các bài toán chứa dấu giá trị tuyệt đối \(|f(x)|\) hoặc hàm số cho bởi nhiều công thức trên từng khoảng.

3. Ý nghĩa hình học của Tích phân

📌 Diện tích hình thang cong:

Nếu hàm số \(f(x)\) liên tục và không âm (\(f(x) \ge 0\)) trên đoạn \([a; b]\) thì tích phân \(\int_{a}^{b} f(x) \, dx\) chính là diện tích \(S\) của hình thang cong giới hạn bởi:

  • Đồ thị hàm số \(y = f(x)\)
  • Trục hoành \(y = 0\) (trục \(Ox\))
  • Hai đường thẳng đứng \(x = a\) và \(x = b\)
\[ S = \int_{a}^{b} f(x) \, dx \]
🌐 Trường hợp tổng quát: Nếu \(f(x)\) nhận giá trị âm trên một số phần của đoạn \([a; b]\), diện tích hình phẳng luôn bằng tích phân của giá trị tuyệt đối: \[ S = \int_{a}^{b} |f(x)| \, dx \]

4. Tích phân của một số hàm số sơ cấp cơ bản

STT Hàm số \(f(x)\) Công thức Tích phân \(\int_{a}^{b} f(x) dx\)
1 \(k\) (hằng số) \(k(b - a)\)
2 \(x^\alpha \quad (\alpha \ne -1)\) \(\left. \displaystyle\frac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1} \right|_{a}^{b} = \displaystyle\frac{b^{\alpha+1} - a^{\alpha+1}}{\alpha+1}\)
3 \(\displaystyle\frac{1}{x}\) \(\left. \ln|x| \right|_{a}^{b} = \ln|b| - \ln|a|\)
4 \(e^x\) \(\left. e^x \right|_{a}^{b} = e^b - e^a\)
5 \(\cos x\) \(\left. \sin x \right|_{a}^{b} = \sin b - \sin a\)
6 \(\sin x\) \(\left. (-\cos x) \right|_{a}^{b} = -\cos b + \cos a\)
7 \(f(kx+m)\) \(\left. \displaystyle\frac{1}{k} F(kx+m) \right|_{a}^{b}\)

5. Ví dụ minh họa chi tiết (SGK Kết nối tri thức)

Ví dụ 1 Tính tích phân cơ bản

Tính các tích phân sau:

a) \(I_1 = \int_{1}^{2} (3x^2 - 2x + 1) \, dx\)

b) \(I_2 = \int_{0}^{\pi/2} (2\cos x - \sin x) \, dx\)

Lời giải:

a) Tìm một nguyên hàm \(F(x) = x^3 - x^2 + x\):

\[ I_1 = \left. (x^3 - x^2 + x) \right|_{1}^{2} = (2^3 - 2^2 + 2) - (1^3 - 1^2 + 1) = (8 - 4 + 2) - 1 = 5 \]

b) Ta có nguyên hàm \(F(x) = 2\sin x + \cos x\):

\[ I_2 = \left. (2\sin x + \cos x) \right|_{0}^{\pi/2} = \left(2\sin \displaystyle\frac{\pi}{2} + \cos \displaystyle\frac{\pi}{2}\right) - (2\sin 0 + \cos 0) \] \[ = (2\cdot 1 + 0) - (0 + 1) = 2 - 1 = 1 \]
Ví dụ 2 Áp dụng tính chất tách đoạn & chèn cận

Cho \(\int_{0}^{3} f(x) \, dx = 5\) và \(\int_{0}^{5} f(x) \, dx = 9\). Tính \(I = \int_{3}^{5} 2f(x) \, dx\).

Lời giải:

Theo tính chất chèn cận, ta có:

\[ \int_{0}^{5} f(x) \, dx = \int_{0}^{3} f(x) \, dx + \int_{3}^{5} f(x) \, dx \] \[ \Rightarrow 9 = 5 + \int_{3}^{5} f(x) \, dx \Rightarrow \int_{3}^{5} f(x) \, dx = 9 - 5 = 4 \]

Áp dụng tính chất nhân hằng số:

\[ I = \int_{3}^{5} 2f(x) \, dx = 2 \int_{3}^{5} f(x) \, dx = 2 \cdot 4 = 8 \]
Ví dụ 3 Ứng dụng thực tế - Tính quãng đường đi được

Một đoàn tàu bắt đầu hãm phanh với vận tốc thay đổi theo thời gian \(v(t) = 20 - 4t\) (m/s). Tính quãng đường đoàn tàu đi được từ lúc bắt đầu hãm phanh (\(t=0\)) cho đến khi dừng hẳn.

Lời giải:

Đoàn tàu dừng hẳn khi \(v(t) = 0 \Leftrightarrow 20 - 4t = 0 \Leftrightarrow t = 5\) (giây).

Quãng đường đi được chính là tích phân của vận tốc từ \(t = 0\) đến \(t = 5\):

\[ S = \int_{0}^{5} v(t) \, dt = \int_{0}^{5} (20 - 4t) \, dt \] \[ S = \left. (20t - 2t^2) \right|_{0}^{5} = (20\cdot 5 - 2\cdot 5^2) - 0 = 100 - 50 = 50 \text{ (m)} \]

6. Bảng tổng kết & Bài tập tự luyện

Nội dung Công thức / Ghi nhớ cốt lõi
Công thức Newton - Leibniz \(\int_{a}^{b} f(x) dx = \left. F(x) \right|_{a}^{b} = F(b) - F(a)\)
Đổi cận / Đảo cận \(\int_{a}^{b} f(x) dx = -\int_{b}^{a} f(x) dx\)
Chèn cận \(\int_{a}^{b} f(x) dx = \int_{a}^{c} f(x) dx + \int_{c}^{b} f(x) dx\)
Ý nghĩa hình học \(S = \int_{a}^{b} f(x) dx\) (khi \(f(x) \ge 0\) trên \([a; b]\))
📝 Bài tập tự luyện:

Bài 1: Tính các tích phân sau:

a) \(\int_{0}^{1} (4x^3 + e^x) \, dx\)

b) \(\int_{1}^{2} \left( \displaystyle\frac{1}{x} + \displaystyle\frac{2}{x^2} \right) \, dx\)

Bài 2: Cho \(\int_{1}^{4} f(x) \, dx = 6\) và \(\int_{1}^{4} g(x) \, dx = -2\). Tính giá trị biểu thức \(K = \int_{1}^{4} [3f(x) - 2g(x)] \, dx\).

Bài 3: Một mô tô đang chạy với vận tốc \(15 \text{ m/s}\) thì người lái tăng tốc với gia tốc \(a(t) = 2t + 1 \text{ (m/s}^2\text{)}\). Tính quãng đường xe đi được trong 3 giây kể từ lúc bắt đầu tăng tốc.