Giải Bài Tập Cuối Chương IV - Toán 12 KNTT

BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG IV
(SGK TOÁN 12 - KẾT NỐI TRI THỨC)

A - TRẮC NGHIỆM

Bài 4.20. Một nguyên hàm của hàm số \(f(x) = \sin 2x\) là
A. \(F(x) = 2\cos 2x\).      B. \(F(x) = -\cos 2x\).      C. \(F(x) = \frac{1}{2}\cos 2x\).      D. \(F(x) = -\frac{1}{2}\cos 2x\).
Lời giải:

Ta có \(\int \sin 2x \, dx = -\frac{1}{2}\cos 2x + C\).

Do đó một nguyên hàm của hàm số là \(F(x) = -\frac{1}{2}\cos 2x\).

Chọn D.

Bài 4.21. Họ tất cả các nguyên hàm của hàm số \(2e^x\) là
A. \(2xe^x + C\).      B. \(-2e^x + C\).      C. \(2e^x\).      D. \(2e^x + C\).
Lời giải:

Ta có \(\int 2e^x \, dx = 2e^x + C\).

Chọn D.

Bài 4.22. Nguyên hàm \(F(x)\) của hàm số \(f(x) = e^x - 3e^{-x}\) thoả mãn \(F(0) = 4\) là
A. \(F(x) = e^x - 3e^{-x}\).      B. \(F(x) = e^x + 3e^{-x}\).      C. \(F(x) = e^x + 3e^{-x}\).      D. \(F(x) = e^x + 3e^{-x} + 4\).
Lời giải:

Họ nguyên hàm của \(f(x)\) là: \(F(x) = \int (e^x - 3e^{-x}) \, dx = e^x + 3e^{-x} + C\).

Vì \(F(0) = 4\) nên: \(e^0 + 3e^0 + C = 4 \Leftrightarrow 1 + 3 + C = 4 \Leftrightarrow C = 0\).

Vậy \(F(x) = e^x + 3e^{-x}\).

Chọn B (hoặc C).

Bài 4.23. Cho hàm số \(f(x)\) có đạo hàm \(f'(x)\) liên tục trên \(\mathbb{R}\), \(f(1) = 16\) và \(\int_{1}^{3} f'(x) \, dx = 4\). Khi đó giá trị của \(f(3)\) bằng
A. 20.      B. 16.      C. 12.      D. 10.
Lời giải:

Áp dụng định lý cơ bản của giải tích: \(\int_{1}^{3} f'(x) \, dx = f(3) - f(1)\).

Thay số vào ta có: \(4 = f(3) - 16 \Rightarrow f(3) = 20\).

Chọn A.

Bài 4.24. Diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = x^2 - 2x\), \(y = -x^2 + 4x\) và hai đường thẳng \(x = 0\), \(x = 3\) là
A. \(-9\).      B. 9.      C. \(\frac{16}{3}\).      D. \(\frac{20}{3}\).
Lời giải:

Xét phương trình hoành độ giao điểm: \(x^2 - 2x = -x^2 + 4x \Leftrightarrow 2x^2 - 6x = 0 \Leftrightarrow \left[\begin{array}{l} x = 0 \\ x = 3 \end{array}\right.\)

Trực tiếp trên đoạn \([0; 3]\), ta có \(-x^2 + 4x \ge x^2 - 2x\).

Do đó diện tích hình phẳng là:

\(S = \int_{0}^{3} [(-x^2 + 4x) - (x^2 - 2x)] \, dx = \int_{0}^{3} (6x - 2x^2) \, dx = \left. \left( 3x^2 - \frac{2}{3}x^3 \right) \right|_{0}^{3} = (27 - 18) - 0 = 9\).

Chọn B.

Bài 4.25. Cho đồ thị hàm số \(y = f(x)\) trên đoạn \([-2; 2]\) như Hình 4.32.
Biết \(\int_{-2}^{-1} f(x) \, dx = \int_{1}^{2} f(x) \, dx = -\frac{22}{15}\) và \(\int_{-1}^{1} f(x) \, dx = \frac{76}{15}\). Khi đó, diện tích của hình phẳng được tô màu là
A. 8.      B. \(\frac{22}{15}\).      C. \(\frac{32}{15}\).      D. \(\frac{76}{15}\).
Lời giải:

Dựa vào đồ thị Hình 4.32:

- Trên các đoạn \([-2; -1]\) và \([1; 2]\), đồ thị nằm phía dưới trục hoành (\(f(x) \le 0\)).

- Trên đoạn \([-1; 1]\), đồ thị nằm phía trên trục hoành (\(f(x) \ge 0\)).

Do đó diện tích hình phẳng tô màu gồm 3 phần:

\(S = \int_{-2}^{-1} -f(x) \, dx + \int_{-1}^{1} f(x) \, dx + \int_{1}^{2} -f(x) \, dx\)

\(= -\left( -\frac{22}{15} \right) + \frac{76}{15} - \left( -\frac{22}{15} \right) = \frac{22 + 76 + 22}{15} = \frac{120}{15} = 8\).

Chọn A.

Bài 4.26. Cho hình phẳng \((S)\) giới hạn bởi đồ thị hàm số \(y = \sqrt{1 - x^2}\), trục hoành và hai đường thẳng \(x = -1\), \(x = 1\). Thể tích của khối tròn xoay khi quay \((S)\) quanh \(Ox\) là
A. \(\frac{3\pi}{4}\).      B. \(\frac{3\pi}{2}\).      C. \(\frac{2\pi}{3}\).      D. \(\frac{4\pi}{3}\).
Lời giải:

Thể tích khối tròn xoay thu được là:

\(V = \pi \int_{-1}^{1} \left(\sqrt{1 - x^2}\right)^2 dx = \pi \int_{-1}^{1} (1 - x^2) \, dx = \pi \left. \left( x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_{-1}^{1} = \pi \left[ \left( 1 - \frac{1}{3} \right) - \left( -1 + \frac{1}{3} \right) \right] = \frac{4\pi}{3}\).

Chọn D.

Bài 4.27. Một vật chuyển động có gia tốc là \(a(t) = 3t^2 + t \text{ (m/s}^2\text{)}\). Biết rằng vận tốc ban đầu của vật là \(2\text{ m/s}\). Vận tốc của vật đó sau 2 giây là
A. \(8\text{ m/s}\).      B. \(10\text{ m/s}\).      C. \(12\text{ m/s}\).      D. \(14\text{ m/s}\).
Lời giải:

Ta có hàm vận tốc \(v(t) = \int a(t) \, dt = \int (3t^2 + t) \, dt = t^3 + \frac{t^2}{2} + C\).

Vì vận tốc ban đầu \(v(0) = 2\) nên \(C = 2\). Do đó \(v(t) = t^3 + \frac{t^2}{2} + 2\).

Vận tốc của vật sau 2 giây là: \(v(2) = 2^3 + \frac{2^2}{2} + 2 = 8 + 2 + 2 = 12\text{ (m/s)}\).

Chọn C.

B - TỰ LUẬN

Bài 4.28. Tìm họ tất cả các nguyên hàm của các hàm số sau:
a) \(y = 2^x - \frac{1}{x}\);
b) \(y = x\sqrt{x} - 3\cos x - \frac{2}{\sin^2 x}\).
Lời giải:

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

b) \(\int \left( x^{\frac{3}{2}} - 3\cos x - \frac{2}{\sin^2 x} \right) dx = \frac{2}{5}x^{\frac{5}{2}} - 3\sin x + 2\cot x + C = \frac{2}{5}x^2\sqrt{x} - 3\sin x + 2\cot x + C\).

Bài 4.29. Tìm một nguyên hàm \(F(x)\) của hàm số \(f(x) = 2\sin x + \frac{1}{\sin^2 x}\) thoả mãn điều kiện \(F\left(\frac{\pi}{4}\right) = -1\).
Lời giải:

Họ nguyên hàm của \(f(x)\) là: \(F(x) = \int \left( 2\sin x + \frac{1}{\sin^2 x} \right) dx = -2\cos x - \cot x + C\).

Theo giả thiết \(F\left(\frac{\pi}{4}\right) = -1\):

\(-2\cos \frac{\pi}{4} - \cot \frac{\pi}{4} + C = -1 \Leftrightarrow -2 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} - 1 + C = -1 \Leftrightarrow -\sqrt{2} - 1 + C = -1 \Leftrightarrow C = \sqrt{2}\).

Vậy nguyên hàm cần tìm là: \(F(x) = -2\cos x - \cot x + \sqrt{2}\).

Bài 4.30. Một viên đạn được bắn lên từ mặt đất theo phương thẳng đứng với vận tốc ban đầu là \(30\text{ m/s}\). Gia tốc trọng trường là \(9,8\text{ m/s}^2\). Tìm vận tốc của viên đạn ở thời điểm 2 giây.
Lời giải:

Chọn chiều dương hướng thẳng đứng lên trên. Gia tốc chuyển động của viên đạn hướng ngược chiều dương nên \(a(t) = -9,8\text{ (m/s}^2\text{)}\).

Vận tốc của viên đạn theo thời gian là: \(v(t) = \int -9,8 \, dt = -9,8t + C\).

Tại thời điểm ban đầu \(t = 0\), vận tốc \(v(0) = 30 \Rightarrow C = 30\). Do đó \(v(t) = 30 - 9,8t\).

Vận tốc của viên đạn tại thời điểm \(t = 2\) giây là: \(v(2) = 30 - 9,8(2) = 30 - 19,6 = 10,4\text{ (m/s)}\).

Bài 4.31. Cá hồi Thái Bình Dương đến mùa sinh sản thường bơi từ biển ngược dòng vào sông và đến thượng nguồn các dòng sông để đẻ trứng. Giả sử cá bơi ngược dòng sông với vận tốc là \(v(t) = -\frac{2t}{5} + 4 \text{ (km/h)}\). Nếu coi thời điểm ban đầu \(t = 0\) là lúc cá bắt đầu bơi vào dòng sông thì khoảng cách xa nhất mà con cá có thể bơi được là bao nhiêu?
Lời giải:

Con cá bơi ngược dòng sông với vận tốc \(v(t) = -\frac{2t}{5} + 4\). Nó bơi ngày càng chậm lại và dừng hẳn bơi ngược dòng khi vận tốc \(v(t) = 0\):

\(-\frac{2t}{5} + 4 = 0 \Leftrightarrow \frac{2t}{5} = 4 \Leftrightarrow t = 10\text{ (giờ)}\).

Khoảng cách xa nhất mà con cá có thể bơi được chính là quãng đường bơi được từ \(t = 0\) đến \(t = 10\) giờ:

\(S = \int_{0}^{10} \left( -\frac{2t}{5} + 4 \right) dt = \left. \left( -\frac{t^2}{5} + 4t \right) \right|_{0}^{10} = \left( -\frac{100}{5} + 40 \right) - 0 = -20 + 40 = 20\text{ (km)}\).

Vậy khoảng cách xa nhất mà con cá bơi được là 20 km.

Bài 4.32. Tính các tích phân sau:
a) \(\int_{1}^{4} (x^2 - 2\sqrt{x}) \, dx\);
b) \(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (\cos x - \sin x) \, dx\);
c) \(\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\sin^2 x}\);
d) \(\int_{1}^{4} \frac{x - 3}{\sqrt{x}} \, dx\).
Lời giải:

a) \(\int_{1}^{4} (x^2 - 2x^{\frac{1}{2}}) \, dx = \left. \left( \frac{x^3}{3} - 2 \cdot \frac{2}{3}x^{\frac{3}{2}} \right) \right|_{1}^{4} = \left. \left( \frac{x^3}{3} - \frac{4}{3}x\sqrt{x} \right) \right|_{1}^{4}\)
\(= \left( \frac{64}{3} - \frac{32}{3} \right) - \left( \frac{1}{3} - \frac{4}{3} \right) = \frac{32}{3} - \left( -\frac{3}{3} \right) = \frac{32}{3} + 1 = \frac{35}{3}\).

b) \(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (\cos x - \sin x) \, dx = \left. (\sin x + \cos x) \right|_{0}^{\frac{\pi}{2}} = (\sin \frac{\pi}{2} + \cos \frac{\pi}{2}) - (\sin 0 + \cos 0) = (1 + 0) - (0 + 1) = 0\).

c) \(\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\sin^2 x} = -\left. \cot x \right|_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} = -\left( \cot \frac{\pi}{3} - \cot \frac{\pi}{4} \right) = -\left( \frac{\sqrt{3}}{3} - 1 \right) = 1 - \frac{\sqrt{3}}{3} = \frac{3 - \sqrt{3}}{3}\).

d) \(\int_{1}^{4} \frac{x - 3}{\sqrt{x}} \, dx = \int_{1}^{4} \left( \sqrt{x} - \frac{3}{\sqrt{x}} \right) dx = \int_{1}^{4} (x^{\frac{1}{2}} - 3x^{-\frac{1}{2}}) \, dx\)
\(= \left. \left( \frac{2}{3}x\sqrt{x} - 6\sqrt{x} \right) \right|_{1}^{4} = \left( \frac{16}{3} - 12 \right) - \left( \frac{2}{3} - 6 \right) = -\frac{20}{3} - \left( -\frac{16}{3} \right) = -\frac{4}{3}\).

Bài 4.33. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi các đường \(y = e^x\), \(y = x\), \(x = 0\) và \(x = 1\).
Lời giải:

Trên đoạn \([0; 1]\), ta luôn có \(e^x \ge x + 1 > x\).

Diện tích hình phẳng là:

\(S = \int_{0}^{1} (e^x - x) \, dx = \left. \left( e^x - \frac{x^2}{2} \right) \right|_{0}^{1} = \left( e^1 - \frac{1}{2} \right) - (e^0 - 0) = e - \frac{1}{2} - 1 = e - \frac{3}{2}\).

Bài 4.34. Tính thể tích của khối tròn xoay tạo thành khi quay hình phẳng giới hạn bởi các đường sau xung quanh trục \(Ox\):
a) \(y = 1 - x^2\), \(y = 0\), \(x = -1\), \(x = 1\);
b) \(y = \sqrt{25 - x^2}\), \(y = 0\), \(x = 2\), \(x = 4\).
Lời giải:

a) Thể tích khối tròn xoay là:

\(V = \pi \int_{-1}^{1} (1 - x^2)^2 \, dx = \pi \int_{-1}^{1} (1 - 2x^2 + x^4) \, dx = \pi \left. \left( x - \frac{2}{3}x^3 + \frac{x^5}{5} \right) \right|_{-1}^{1}\)

\(= \pi \left[ \left( 1 - \frac{2}{3} + \frac{1}{5} \right) - \left( -1 + \frac{2}{3} - \frac{1}{5} \right) \right] = \pi \left( \frac{8}{15} - \left( -\frac{8}{15} \right) \right) = \frac{16\pi}{15}\).

b) Thể tích khối tròn xoay là:

\(V = \pi \int_{2}^{4} \left(\sqrt{25 - x^2}\right)^2 dx = \pi \int_{2}^{4} (25 - x^2) \, dx = \pi \left. \left( 25x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_{2}^{4}\)

\(= \pi \left[ \left( 100 - \frac{64}{3} \right) - \left( 50 - \frac{8}{3} \right) \right] = \pi \left( \frac{236}{3} - \frac{142}{3} \right) = \frac{94\pi}{3}\).

Bài 4.35. Nghệ thuật làm gốm có lịch sử phát triển lâu đời và vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay. Giả sử một bình gốm có mặt trong của bình là một mặt tròn xoay sinh ra khi cho phần đồ thị của hàm số \(y = \frac{1}{175}x^2 + \frac{3}{35}x + 5 \quad (0 \le x \le 30)\) (\(x, y\) tính theo cm) quay tròn quanh bệ gốm có trục trùng với trục hoành \(Ox\). Hỏi để hoàn thành bình gốm đó ta cần sử dụng bao nhiêu cm\(^3\) đất sét, biết rằng bình gốm đó có độ dày không đổi là 1 cm.
Lời giải:

Hàm số mặt trong của bình gốm: \(y_1 = \frac{1}{175}x^2 + \frac{3}{35}x + 5\).

Thể tích không gian bên trong bình gốm là:

\(V_1 = \pi \int_{0}^{30} y_1^2 \, dx = \pi \int_{0}^{30} \left( \frac{1}{175}x^2 + \frac{3}{35}x + 5 \right)^2 dx\).

Vì bình gốm có độ dày không đổi là \(1\text{ cm}\), hàm số mặt ngoài của bình gốm sẽ là: \(y_2 = y_1 + 1 = \frac{1}{175}x^2 + \frac{3}{35}x + 6\).

Thể tích toàn bộ bình gốm (bao gồm cả phần ruột và phần đất sét) là:

\(V_2 = \pi \int_{0}^{30} y_2^2 \, dx = \pi \int_{0}^{30} \left( \frac{1}{175}x^2 + \frac{3}{35}x + 6 \right)^2 dx\).

Lượng đất sét cần sử dụng chính là thể tích phần vỏ bình gốm:

\(V_{đất\,sét} = V_2 - V_1 = \pi \int_{0}^{30} (y_2^2 - y_1^2) \, dx = \pi \int_{0}^{30} (y_2 - y_1)(y_2 + y_1) \, dx\)

Mà \(y_2 - y_1 = 1\) và \(y_2 + y_1 = \frac{2}{175}x^2 + \frac{6}{35}x + 11\).

Do đó:

\(V_{đất\,sét} = \pi \int_{0}^{30} \left( \frac{2}{175}x^2 + \frac{6}{35}x + 11 \right) dx = \pi \left. \left( \frac{2}{525}x^3 + \frac{3}{35}x^2 + 11x \right) \right|_{0}^{30}\)

\(= \pi \left( \frac{2}{525} \cdot 27000 + \frac{3}{35} \cdot 900 + 11 \cdot 30 \right) = \pi \left( \frac{720}{7} + \frac{540}{7} + 330 \right) = \pi \left( \frac{1260}{7} + 330 \right) = \pi (180 + 330) = 510\pi \approx 1602,21 \text{ (cm}^3\text{)}\).

Vậy cần sử dụng khoảng \(510\pi\text{ cm}^3\) (hay xấp xỉ \(1602,21\text{ cm}^3\)) đất sét để hoàn thành bình gốm.