Giải SGK Toán 12 Bài 3 (Chân trời sáng tạo): Ứng dụng hình học của tích phân

Giải bài tập Toán 12 Bài 3: Ứng dụng hình học của tích phân

Hoạt động khởi động trang 21 Toán 12 Tập 2: Ta đã biết công thức tính thể tích của khối cầu bán kính R là V=4πR33. Làm thế nào để tìm ra công thức đó?

Lời giải:

Sau khi học xong bài, ta giải quyết bài toán này như sau:

Hoạt động khởi động trang 21 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Khối cầu có bán kính R là khối tròn xoay nhận được khi quay nửa hình tròn giới hạn bởi đồ thị hàm số y=R2x2RxR và trục Ox quanh trục Ox.

Từ đó thể tích khối cầu là:

V=πRRR2x2dx=πR2xx33RR=4πR33.

Hoạt động khám phá 1 trang 21 Toán 12 Tập 2: Gọi d là đồ thị của hàm số y = f(x) = 6 – 2x. Kí hiệu S1 là diện tích hình phẳng giới hạn bởi d, trục hoành và trục tung, S2 là diện tích hình phẳng giới hạn bởi d, trục hoành và đường thẳng x = 5 (Hình 1).

a) Tính S1 và so sánh với 03fxdx.

b) Tính S2 và so sánh với 35fxdx.

c) So sánh 05fxdx với S1 + S2.

Hoạt động khám phá 1 trang 21 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Hoạt động khám phá 1 trang 21 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

a) Gọi A(3; 0), B(0; 6), C(5; 0), E(5; −4).

Ta có S1 chính là diện tích của tam giác vuông OAB với OA = 3, OB = 6.

Do đó S1=SΔOAB=12OA.OB=12.3.6=9.

Ta có 03fxdx=0362xdx =6xx203= 9.

Vậy S1=03fxdx.

b) Ta có S2 chính là diện tích của tam giác vuông ACE với AC = 2, CE = 4.

Do đó S2=SΔACE=12AC.CE=12.2.4=4.

Ta có 35fxdx=3562xdx=6xx235= 5 – 9 = −4.

Do đó S2=35fxdx.

c) Ta có 05fxdx0562xdx=0362xdx+3562xdx

=0362xdx+352x6dx=6xx203+x26x35

= 9 − 5 + 9 = 13.

Có S1 + S2 = 9 + 4 = 13 = 05fxdx.

Thực hành 1 trang 22 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = 2x – x2, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 3.

Lời giải:

Ta có 2x – x2 = 0 ⇔ x = 0 hoặc x = 2.

Với x [0; 2] thì 2x – x2 ≥ 0, với x  [2; 3] thì 2x – x2 ≤ 0.

Diện tích cần tính là:

S=032xx2dx=022xx2dx+232xx2dx=022xx2dx+23x22xdx

=x2x3302+x33x223=43+43=83

Thực hành 2 trang 22 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = cosx – 2, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = π.

Lời giải:

Với x ∈ [0; π] thì −1 ≤ cosx ≤ 1 nên −3 ≤ cosx − 2 ≤ −1 ⇔ cosx − 2 < 0.

Diện tích cần tính là:

S=0πcosx2dx=0π2cosxdx=2xsinx0π=2π

Hoạt động khám phá 2 trang 23 Toán 12 Tập 2: Cho hai hàm số y = 4x – x2 và y = x lần lượt có đồ thị (P) và d như Hình 4.

a) Tính diện tích S1 của hình phẳng giới hạn bởi (P), trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 2.

b) Tính diện tích S của hình phẳng giới hạn bởi (P), d và hai đường thẳng x = 0, x = 2.

Hoạt động khám phá 2 trang 23 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Hoạt động khám phá 2 trang 23 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

a) Ta có S1=024xx2dx=024xx2dx=2x2x3302=163.

b) Gọi A(2; 0), B(2; 2).

Ta có tam giác OAB là tam giác vuông tại A, có OA = 2, AB = 2.

Suy ra SΔOAB=12.OA.AB=12.2.2=2.

Do đó S=S1SΔOAB=1632=103.

Thực hành 3 trang 24 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = x2 – 2x – 1, y = x – 1 và hai đường thẳng x = 1, x = 4.

Lời giải:

Diện tích cần tính là:

S=14x22x1x1dx=14x23xdx.

Ta có x2 – 3x = 0 ⇔ x = 0 hoặc x = 3.

Do đó S=13x23xdx+34x23xdx

=133xx2dx+34x23xdx=3x22x3313+x333x2234=927683+92=316

Thực hành 4 trang 24 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = 5x − x2, y = x2 – x và hai đường thẳng x = 0, x = 2.

Lời giải:

Diện tích cần tính là:

S=025xx2x2xdx=026x2x2dx.

Ta có 6x – 2x2 = 0 ⇔ x = 0 hoặc x = 3.

Do đó S=026x2x2dx=3x22x3302=203

Vận dụng 1 trang 24 Toán 12 Tập 2: Mặt cắt của một cửa hầm có dạng là hình phẳng giới hạn bởi một parabol và đường thẳng nằm ngang như Hình 7. Tính diện tích của cửa hầm.

Vận dụng 1 trang 24 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Vận dụng 1 trang 24 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Chon hệ tọa độ Oxy như hình vẽ.

Giả sử (P): y = ax2 + bx + c (a ≠ 0).

Vì (P) đi qua các điểm (0; 0), (6; 0), (3; 6) nên ta có:

c=036a+6b=09a+3b=6a=23b=4c=0.

Vậy (P): y=23x2+4x.

Bài toán trở thành tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y=23x2+4x, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 6.

Diện tích cần tính là:

S=0623x2+4xdx=0623x2+4xdx=2x39+2x206=24m2.

Vậy diện tích của cửa hầm là 24 m2.

Hoạt động khám phá 3 trang 24 Toán 12 Tập 2: Trong không gian, cho hình chóp O.ABCD có đáy là hình vuông cạnh a, OA ⊥ (ABCD), OA = h. Đặt trục số Ox như Hình 8. Một mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 < x ≤ h), cắt hình chóp O.ABCD theo mặt cắt là hình vuông A’B’C’D’. Kí hiệu S(x) là diện tích của hình vuông A’B’C’D’.

a) Tính S(x) theo a, h và x.

b) Tính 0hSxdx và so sánh với thể tích của khối chóp O.ABCD.

Hoạt động khám phá 3 trang 24 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

a) Ta có A’B’C’D’ đồng dạng với ABCD theo tỉ số đồng dạng là xh.

Do đó SxSABCD=xh2Sx=xh2.a2.

b) 0hSxdx=0hxh2.a2dx=a2h20hx2dx=a2h2.x330h=13a2h.

Có VO.ABCD=13.OA.SABCD=13.h.a2.

Vậy VO.ABCD=0hSxdx

Thực hành 5 trang 25 Toán 12 Tập 2: Một bình chứa nước có hình dạng như Hình 11. Biết rằng khi nước trong bình có chiều cao x (dm) (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt nước là hình vuông có cạnh 2+x24(dm). Tính dung tích của bình.

Thực hành 5 trang 25 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Thực hành 5 trang 25 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Chọn trục Ox như hình vẽ, hai đáy của bình nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại x = 0 và x = h.

Mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) cắt bình theo mặt cắt là hình vuông và có diện tích là Sx=2+x24(dm2).

Do đó dung tích của bình là V=042+x24dx=2x+x31204=403(dm3).

Hoạt động khám phá 4 trang 25 Toán 12 Tập 2: Cho D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số y=fx=12x, trục hoành và đường thẳng x = 4 (Hình 12a). Quay hình D xung quanh trục Ox thì được một khối nón, kí hiệu là N (Hình 12b).

a) Cắt khối N bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt cắt là hình gì? Tính diện tích S(x) của mặt cắt đó.

b) Sử dụng công thức tính thể tích hình khối, tính thể tích của khối nón N.

Hoạt động khám phá 4 trang 25 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

a) Cắt khối N bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ 4) thì mặt cắt là hình tròn có bán kính là 12x.

Khi đó Sx=π12x2=π4x2.

b) Khối nón N có đường cao là 4 và bán kính hình tròn đáy là 2.

Do đó V=13πr2h=13π.22.4=16π3

Thực hành 6 trang 26 Toán 12 Tập 2: Gọi D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số y=1+1x, trục hoành và hai đường thẳng x = 1, x = 2 (Hình 15). Thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay D quanh trục Ox.

Thực hành 6 trang 26 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Thể tích cần tìm là:

V=π121+1x2dx=π121+2x+1x2dx=πx+2lnx1x12

=π2+2ln2121+2ln11=π2ln2+32

Vận dụng 2 trang 27 Toán 12 Tập 2: Sử dụng tích phân, tính thể tích khối nón có bán kính đáy r và chiều cao h (Hình 16).

Vận dụng 2 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Vận dụng 2 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ. Ta có O(0; 0), B(h; r).

Ta có OB là đường thẳng đi qua gốc tọa độ nên OB: y = ax.

Mà OB đi qua điểm B nên r = ah a=rh.

Do đó OB: y=rhx.

Khi quay hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số y=rhx, trục hoành, trục tung và đường thẳng x = h quanh trục Ox ta được khối nón có chiều cao h và bán kính r.

Do đó thể tích của khối nón là:

V=π0hrhx2dx=πr2h2.x330h=13πr2h

BÀI TẬP

Bài 1 trang 27 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi

a) Đồ thị của hàm số y = ex, trục hoành và hai đường thẳng x = −1, x = 1.

b) Đồ thị của hàm số y=x+1x, trục hoành và hai đường thẳng x = 1, x = 2.

Lời giải:

a) Diện tích cần tính là:

S=11exdx=11exdx=ex11=e1e=e21e.

b) Diện tích cần tính là:

S=12x+1xdx=12x+1xdx=x22+lnx12=2+ln212=32+ln2

Bài 2 trang 27 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hàm số y = x3 – x, trục hoành và hai đường thẳng x = 0, x = 2.

Lời giải:

Ta có x3 – x = 0 ⇔ x = 0 hoặc x = 1 hoặc x = −1.

Với x  [0; 1] thì x3 – x ≤ 0; x  [1; 2] thì x3 – x ≥ 0.

Diện tích cần tính là:

S=02x3xdx=01x3xdx+12x3xdx=01xx3dx+12x3xdx

=x22x4401+x44x2212=14+2+14=52

Bài 3 trang 27 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y=x2+1x, y = – x và hai đường thẳng x = 1, x = 4.

Lời giải:

Diện tích cần tính là:

S=14x2+1x+xdx=142x2+1xdx=142x2+1xdx=142x+1xdx

=x2+lnx14= 16 + ln4 – 1 = 15 + ln4.

Bài 4 trang 27 Toán 12 Tập 2: Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị của hai hàm số y = x3 + 1, y = 2 và hai đường thẳng x = −1, x = 2.

Lời giải:

Diện tích cần tính là:

S=12x3+12dx=12x31dx.

Ta có x3 – 1 = 0 ⇔ x = 1.

Với x  [−1; 1] thì x3 – 1 ≤ 0, x  [1; 2] thì x3 – 1 ≥ 0.

Do đó S=11x31dx+12x31dx=111x3dx+12x31dx

=xx4411+x44x12=34+54+2+34=194

Bài 5 trang 27 Toán 12 Tập 2: Khi cắt một vật thể hình chiếc nêm bởi mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (−2 ≤ x ≤ 2), mặt cắt là tam giác vuông có một góc 45° và độ dài một cạnh góc vuông là 4x2(dm) (Hình 17). Tính thể tích của vật thể.

Bài 5 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Vì mặt cắt là tam giác vuông có một góc 45° nên mặt cắt là tam giác vuông cân.

Do đó diện tích của mặt cắt là Sx=124x22=124x2=212x2

Thể tích vật thể là:

V=22212x2dx=2xx3622=83+83=163

Bài 6 trang 27 Toán 12 Tập 2: Cho D là hình phẳng giới hạn bởi đồ thị hàm số y=4x(x ≤ 4), trục tung và trục hoành (Hình 18). Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay D quanh trục Ox.

Bài 6 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Thể tích cần tính là:

V=π044xdx=π4xx2204= 8π.

Bài 7 trang 27 Toán 12 Tập 2: Trong mặt phẳng tọa độ Oxy, cho hình thang OABC có A(0; 1), B(2; 2) và C(2; 0) (Hình 19). Tính thể tích khối tròn xoay tạo thành khi quay hình thang OABC quanh trục Ox.

Bài 7 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Ta có OABC là hình thang vuông, có đường cao OC nằm trên trục Ox.

Khi quay hình thang OABC quanh trục Ox ta được khối tròn xoay là khối nón cụt, có bán kính đáy bé r1 = OA = 1, bán kính đáy lớn r2 = BC = 2 và chiều cao h = OC = 2.

Thể tích cần tính là:

V=13πr12+r1r2+r22h=13π12+1.2+22.2=14π3

Bài 8 trang 27 Toán 12 Tập 2: Sử dụng tích phân, tính thể tích của hình chóp tứ giác đều có cạnh đáy bằng a và chiều cao bằng h (Hình 20).

Bài 8 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Lời giải:

Bài 8 trang 27 Toán 12 Tập 2 Chân trời sáng tạo | Giải Toán 12

Chọn trục Ox trùng với đường cao của hình chóp đều như hình vẽ, sao cho mặt đáy nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại x = 0.

Mặt phẳng vuông góc với trục Ox tại điểm có hoành độ x (0 ≤ x ≤ h) cắt hình chóp đều theo mặt cắt là hình vuông đồng dạng với đáy của hình chóp theo tỉ số xh.

Do đó Sxa2=xh2Sx=xh2a2=a2h2x2.

Do đó thể tích khối chóp tứ giác đều là:

V=0ha2h2x2dx=a2h2.x330h=13a2h

Xem thêm các bài giải bài tập Toán lớp 12 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 2. Tích phân

Bài 3. Ứng dụng hình học của tích phân

Bài tập cuối chương IV

Bài 1. Phương trình mặt phẳng

Bài 2. Phương trình đường thẳng trong không gian

Bài 3. Phương trình mặt cầu

Để lại một bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Lên đầu trang