Đi ngược từ đạo hàm
Nếu biết một vật có vận tốc theo thời gian, ta muốn tìm hàm vị trí của vật. Đạo hàm đưa vị trí sang vận tốc; nguyên hàm giúp đi theo chiều ngược lại. Trước hết, ta tập nhận ra hai hàm liên hệ với nhau thế nào.
Khi nào F là nguyên hàm của f?
Trên một khoảng K, hàm F là một nguyên hàm của f nếu $F'(x)=f(x)$ với mọi x thuộc K. Vì vậy muốn kiểm một phương án, ta tính **đạo hàm của F**, rồi so sánh với f.
Đạo hàm của hằng số bằng 0. Nếu F là một nguyên hàm thì F+C cũng vậy. Ngược lại, trên cùng một khoảng, mọi nguyên hàm chỉ khác nhau một hằng số. Ta viết họ nguyên hàm:
$$\int f(x)\,dx=F(x)+C.$$
C là hằng số tùy ý, không phải một giá trị đã biết. Hàm liên tục trên một khoảng luôn có nguyên hàm trên khoảng đó. Với một miền gồm nhiều khoảng rời nhau, hằng số có thể khác nhau trên từng khoảng.
Ví dụ 1 — Kiểm bằng đạo hàm
Với f(x)=2x+3, xét F(x)=x²+3x−7 và G(x)=2x²+3x.
Ta tính F′(x)=2x+3=f(x) với mọi x, nên F là một nguyên hàm. Còn G′(x)=4x+3 không bằng f trên toàn khoảng, nên G không phải nguyên hàm của f.
Số −7 biến mất khi lấy đạo hàm. Do đó x²+3x, x²+3x+5 cũng đều là nguyên hàm; đề hỏi “một nguyên hàm” thì chỉ cần nêu một hàm hợp lệ.
Thử: chọn đúng quan hệ
F là nguyên hàm của f trên K khi điều kiện nào đúng với mọi x thuộc K?
Đúng: đạo hàm F trả lại f.
Quan hệ này đổi vai trò của F và f.
Hai hàm không cần bằng nhau.
Đạo hàm bằng nhau chỉ cho biết F và f khác nhau hằng số.
Lời giải
Theo định nghĩa, $F'=f$ trên K. Chọn A; thứ tự hai hàm có ý nghĩa.
Ví dụ 2 — Viết cả họ nguyên hàm
Tìm họ nguyên hàm của f(x)=3x²−4x+2 trên R.
Ta cần một hàm có đạo hàm lần lượt là 3x², −4x và 2. Các hạng phù hợp là x³, −2x² và 2x. Vì đạo hàm của tổng bằng tổng các đạo hàm:
$$\int(3x^2-4x+2)\,dx=x^3-2x^2+2x+C.$$
Kiểm lại bằng đạo hàm được đúng f. Nếu chỉ ghi phần đa thức mà bỏ C, ta mới nêu một nguyên hàm, chưa nêu cả họ.
Thử: thêm một hằng số
Biết F là nguyên hàm của f. H=F+9 có còn là nguyên hàm không? Còn 2F thì sao?
Cộng hằng số không đổi đạo hàm, nhưng nhân $2$ làm đạo hàm thành $2f$.
Các nguyên hàm của cùng hàm sai khác nhau một hằng số, nên $F+9$ vẫn hợp lệ.
Quy tắc đạo hàm cho $(2F)'=2F'=2f$, nói chung khác $f$.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Lời giải
H′=F′+0=f nên có. Đạo hàm của 2F là 2f; nói chung không bằng f, nên không được tự nhân đôi nguyên hàm.
Bài luyện 1
Tìm họ nguyên hàm của 4x trên R.
Đạo hàm của $4x^2$ là $8x$, gấp đôi hàm cần lấy nguyên hàm.
Đạo hàm của biểu thức này là hằng số $2$, không phải $4x$.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Còn phải thêm hằng số tùy ý $C$ để biểu diễn toàn bộ họ.
Lời giải
Vì (2x²)′=4x, họ nguyên hàm là 2x²+C.
Bài luyện 2
F(x)=x³+1 có là nguyên hàm của 3x² trên R không? Giải thích.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Đạo hàm của hằng số bằng $0$, nên không xuất hiện số $1$.
Nguyên hàm không duy nhất; có thể cộng mọi hằng số.
Kết luận đúng nhưng căn cứ sai; phải lấy đạo hàm của $x^3+1$, không xóa số mũ.
Lời giải
Có: F′(x)=3x² với mọi x. Hằng số 1 không ảnh hưởng đạo hàm.
Bài luyện 3
Vì sao không dùng một phép thử tại x=0 để chứng minh F′=f trên R?
Bằng nhau tại một điểm không suy ra đồng nhất trên cả khoảng.
Một số hữu hạn điểm thử vẫn không thay thế được phép biến đổi chứng minh đẳng thức.
Lấy đạo hàm và so với $f$ trên toàn khoảng là cách kiểm trực tiếp.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Lời giải
Định nghĩa cần đẳng thức với mọi x trên khoảng. Hai biểu thức có thể bằng nhau tại 0 nhưng khác ở nơi khác, như 2x và 4x.
Những điều cần nhớ
Kiểm nguyên hàm bằng đạo hàm. Phân biệt một hàm F với cả họ F+C; giữ khoảng đang xét khi dùng kết luận về hằng số.
Đang học