Bài học Toán THPT - Ứng Dụng Hình Học Của Tích Phân

📐 BÀI HỌC TOÁN 12: ỨNG DỤNG HÌNH HỌC CỦA TÍCH PHÂN

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

1. Tính diện tích hình phẳng

📌 Trường hợp 1: Hình phẳng giới hạn bởi 1 đường cong và trục hoành \(Ox\)

Diện tích \(S\) của hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = f(x)\) liên tục trên \([a; b]\), trục hoành \(Ox\) (\(y = 0\)) và hai đường thẳng \(x = a, x = b\) là:

\[ S = \int_{a}^{b} |f(x)| \, dx \]
📌 Trường hợp 2: Hình phẳng giới hạn bởi 2 đường cong

Diện tích \(S\) của hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hai hàm số \(y = f(x)\), \(y = g(x)\) liên tục trên \([a; b]\) và hai đường thẳng \(x = a, x = b\) là:

\[ S = \int_{a}^{b} |f(x) - g(x)| \, dx \]
💡 Lưu ý quan trọng: Nếu đề bài chưa cho sẵn hai biên \(x = a, x = b\), ta cần giải phương trình hoành độ giao điểm \(f(x) = g(x)\) để tìm các nghiệm. Nghiệm nhỏ nhất sẽ là cận dưới \(a\), nghiệm lớn nhất sẽ là cận trên \(b\).

2. Tính thể tích của vật thể bất kỳ

📌 Định lý về thể tích vật thể:

Cắt một vật thể \(\mathcal{B}\) bởi hai mặt phẳng vuông góc với trục \(Ox\) tại \(x = a\) và \(x = b\) (\(a < b\)).

Giả sử mặt phẳng vuông góc với trục \(Ox\) tại điểm có hoành độ \(x\) (\(a \le x \le b\)) cắt vật thể \(\mathcal{B}\) theo một thiết diện có diện tích là \(S(x)\). Nếu \(S(x)\) là hàm số liên tục trên đoạn \([a; b]\) thì thể tích \(V\) của vật thể \(\mathcal{B}\) được tính bởi:

\[ V = \int_{a}^{b} S(x) \, dx \]
⚠️ Phân biệt: Công thức tính thể tích vật thể tổng quát KHÔNG CÓ số \(\pi\) phía trước tích phân, ngoại trừ khi diện tích thiết diện \(S(x)\) bản thân nó chứa \(\pi\) (chẳng hạn thiết diện là hình tròn).

3. Tính thể tích khối tròn xoay

📌 Khối tròn xoay quay quanh trục \(Ox\):

Cho hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = f(x)\) liên tục trên đoạn \([a; b]\), trục hoành \(Ox\) và hai đường thẳng \(x = a, x = b\). Khi quay hình phẳng này xung quanh trục \(Ox\), ta được một khối tròn xoay có thể tích \(V\) là:

\[ V = \pi \int_{a}^{b} f^2(x) \, dx \]
📌 Mở rộng - Giới hạn bởi 2 đường cong quay quanh \(Ox\):

Nếu hình phẳng giới hạn bởi \(y = f(x)\), \(y = g(x)\) (với \(f(x) \ge g(x) \ge 0\)) và hai đường thẳng \(x = a, x = b\) quay quanh trục \(Ox\):

\[ V = \pi \int_{a}^{b} \left| f^2(x) - g^2(x) \right| dx \]

4. Phương pháp phá dấu giá trị tuyệt đối trong Tích phân

Để tính tích phân dạng \(S = \int_{a}^{b} |f(x) - g(x)| \, dx\) mà không dùng máy tính cầm tay, ta thực hiện theo các bước:

📌 Quy trình 3 bước xử lý dấu giá trị tuyệt đối:
  • Bước 1: Giải phương trình hoành độ giao điểm \(f(x) - g(x) = 0\) trên đoạn \([a; b]\) để tìm các nghiệm \(x_1, x_2, \dots, x_k \in (a; b)\) (sắp xếp \(a < x_1 < x_2 < \dots < x_k < b\)).
  • Bước 2: Chèn cận để tách tích phân ban đầu thành tổng các tích phân trên từng khoảng nhỏ: \[ S = \int_{a}^{x_1} |f(x) - g(x)| dx + \int_{x_1}^{x_2} |f(x) - g(x)| dx + \dots + \int_{x_k}^{b} |f(x) - g(x)| dx \]
  • Bước 3: Vì trên mỗi khoảng nhỏ biểu thức \(f(x) - g(x)\) không đổi dấu, ta đưa dấu giá trị tuyệt đối ra ngoài dấu tích phân: \[ S = \left| \int_{a}^{x_1} (f(x) - g(x)) dx \right| + \left| \int_{x_1}^{x_2} (f(x) - g(x)) dx \right| + \dots + \left| \int_{x_k}^{b} (f(x) - g(x)) dx \right| \]

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

Ví dụ 1 Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi 2 đồ thị

Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = x^2 - 2x\) và đường thẳng \(y = x\).

Lời giải:

Phương trình hoành độ giao điểm:

\[ x^2 - 2x = x \Leftrightarrow x^2 - 3x = 0 \Leftrightarrow \begin{bmatrix} x = 0 \\ x = 3 \end{bmatrix} \]

Do đó hình phẳng được giới hạn trong khoảng từ \(x = 0\) đến \(x = 3\).

Diện tích hình phẳng là:

\[ S = \int_{0}^{3} |(x^2 - 2x) - x| \, dx = \int_{0}^{3} |x^2 - 3x| \, dx \]

Vì trên đoạn \([0; 3]\), ta có \(x^2 - 3x \le 0\), nên \(|x^2 - 3x| = -(x^2 - 3x) = 3x - x^2\):

\[ S = \int_{0}^{3} (3x - x^2) \, dx = \left. \left( \displaystyle\frac{3x^2}{2} - \displaystyle\frac{x^3}{3} \right) \right|_{0}^{3} = \left( \displaystyle\frac{27}{2} - 9 \right) - 0 = \displaystyle\frac{9}{2} = 4,5 \]
Ví dụ 2 Tính thể tích khối tròn xoay

Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay hình phẳng giới hạn bởi đồ thị \(y = \sqrt{x} \cdot e^x\), trục hoành \(Ox\) và hai đường thẳng \(x = 1, x = 2\) xung quanh trục \(Ox\).

Lời giải:

Thể tích khối tròn xoay là:

\[ V = \pi \int_{1}^{2} [f(x)]^2 \, dx = \pi \int_{1}^{2} \left(\sqrt{x} \cdot e^x\right)^2 dx = \pi \int_{1}^{2} x \cdot e^{2x} \, dx \]

Sử dụng phương pháp tích phân từng phần với \(u = x, dv = e^{2x}dx \Rightarrow du = dx, v = \displaystyle\frac{1}{2}e^{2x}\):

\[ \int_{1}^{2} x e^{2x} dx = \left. \displaystyle\frac{x}{2} e^{2x} \right|_{1}^{2} - \int_{1}^{2} \displaystyle\frac{1}{2} e^{2x} dx = \left( e^4 - \displaystyle\frac{1}{2}e^2 \right) - \left. \displaystyle\frac{1}{4} e^{2x} \right|_{1}^{2} \] \[ = e^4 - \displaystyle\frac{1}{2}e^2 - \left( \displaystyle\frac{1}{4}e^4 - \displaystyle\frac{1}{4}e^2 \right) = \displaystyle\frac{3}{4}e^4 - \displaystyle\frac{1}{4}e^2 \]

Vậy thể tích \(V = \pi \left( \displaystyle\frac{3e^4 - e^2}{4} \right)\).

Ví dụ 3 Ứng dụng thực tế - Thể tích lều trại/vật thể

Một vật thể có chiều dài dọc theo trục \(Ox\) từ \(x = 0\) đến \(x = 4\). Thiết diện của vật thể cắt bởi mặt phẳng vuông góc với trục \(Ox\) tại điểm có hoành độ \(x\) là một hình vuông có cạnh bằng \(\sqrt{16 - x^2}\). Tính thể tích của vật thể đó.

Lời giải:

Diện tích thiết diện tại điểm có hoành độ \(x\) là hình vuông nên:

\[ S(x) = \left(\sqrt{16 - x^2}\right)^2 = 16 - x^2 \]

Thể tích vật thể là:

\[ V = \int_{0}^{4} S(x) \, dx = \int_{0}^{4} (16 - x^2) \, dx = \left. \left( 16x - \displaystyle\frac{x^3}{3} \right) \right|_{0}^{4} = \left( 64 - \displaystyle\frac{64}{3} \right) - 0 = \displaystyle\frac{128}{3} \]

6. Bảng tổng kết công thức & Bài tập tự luyện

Đối tượng tính toán Công thức chuẩn Đặc điểm ghi nhớ
Diện tích (1 đường) \(S = \int_{a}^{b} |f(x)| \, dx\) So với trục hoành \(Ox\)
Diện tích (2 đường) \(S = \int_{a}^{b} |f(x) - g(x)| \, dx\) Lấy đường trên trừ đường dưới
Thể tích vật thể \(V = \int_{a}^{b} S(x) \, dx\) Không có \(\pi\) ở ngoài
Thể tích tròn xoay (\(Ox\)) \(V = \pi \int_{a}^{b} [f(x)]^2 \, dx\) Có \(\pi\) và bình phương hàm số
📝 Bài tập tự luyện:

Bài 1: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường:

a) Đồ thị \(y = x^3 - 3x\), trục hoành \(Ox\) và hai đường thẳng \(x = -1, x = 2\).

b) Đồ thị \(y = e^x\), đường thẳng \(y = 1\) và đường thẳng \(x = 2\).

Bài 2: Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay hình phẳng giới hạn bởi các đường \(y = x^2 - 4x + 3\) và \(y = 0\) xung quanh trục \(Ox\).

Bài 3 (Thực tế): Một bồn chứa nước hình chỏm cầu có bán kính \(R = 3\text{ m}\). Dùng tích phân hãy tính thể tích nước trong bồn khi chiều cao của mực nước là \(h = 2\text{ m}\).