Biết tốc độ thay đổi, tìm lượng đã thay đổi
Vận tốc cho biết vị trí thay đổi nhanh thế nào; lưu lượng cho biết lượng nước tăng hoặc giảm theo thời gian. Tích phân trên một khoảng thời gian cho biết mức thay đổi tích lũy. Muốn tìm lượng cuối cùng, còn cần lượng ban đầu.
Ba công thức cần phân biệt
Nếu Q′(t)=q(t) liên tục thì:
$$Q(b)=Q(a)+\int_a^b q(t)\,dt.$$
Trong chuyển động thẳng, độ dịch chuyển là tích phân v(t). Quãng đường là:
$$s=\int_a^b|v(t)|\,dt.$$
Nếu vận tốc không âm trên cả khoảng, hai kết quả bằng nhau. Nếu vật đổi chiều, phải tách tại nơi v đổi dấu để tính quãng đường. Khi đề cho gia tốc, tìm vận tốc bằng nguyên hàm và điều kiện v ban đầu trước.
Ví dụ 1 — Bể có nước từ trước
Bể ban đầu có 10 lít. Trong ba phút, nước chảy vào với lưu lượng q(t)=2t+1 lít/phút, không có nước chảy ra. Tìm lượng cuối cùng.
Lượng thêm là tích phân q từ 0 đến 3:
$$\int_0^3(2t+1)\,dt=[t^2+t]_0^3=12\text{ lít}.$$
Vậy cuối cùng có 10+12=22 lít. Số 12 chỉ là lượng thêm, không phải tổng lượng nước. Đơn vị lít/phút nhân với thời gian phút cho đơn vị lít.
Thử: vận tốc không đổi
Xe chạy thẳng với vận tốc 3 m/s trong 4 giây. Quãng đường bằng gì?
Đúng: tốc độ nhân thời gian.
Không cộng tốc độ với thời gian vì khác đơn vị.
3 là tốc độ, chưa là quãng đường.
4 là thời gian, chưa là quãng đường.
Lời giải
Quãng đường 3·4=12 m. Chọn A.
Ví dụ 2 — Chuyển động đổi chiều
Vật có v(t)=2t−2 m/s trên [0;3]. Tìm độ dịch chuyển và quãng đường.
v=0 tại t=1, âm trước 1 và dương sau 1. Độ dịch chuyển:
$$\int_0^3(2t-2)\,dt=[t^2-2t]_0^3=3\text{ m}.$$
Quãng đường gồm phần đi ngược chiều dương rồi phần đi cùng chiều dương:
$$s=\int_0^1(2-2t)\,dt+\int_1^3(2t-2)\,dt=1+4=5\text{ m}.$$
Vật cách vị trí đầu 3 m theo chiều dương, nhưng đã đi tổng cộng 5 m.
Thử: từ gia tốc
Gia tốc a(t)=2 m/s², v(0)=1 m/s. Tìm quãng đường trong 2 giây đầu.
Điều kiện $v(0)=1$ cho hằng số $C=1$.
Giá trị vận tốc tại thời điểm cuối không phải quãng đường; phải tích phân vận tốc.
Vận tốc $2t+1$ dương trên cả đoạn nên quãng đường bằng tích phân dương $6$ m.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Lời giải
v(t)=2t+C, điều kiện cho C=1. v dương trên [0;2], nên s=∫(2t+1)dt từ 0 đến 2 bằng 6 m.
Giá trị trung bình trên một khoảng
Với f liên tục trên [a;b], a<b, giá trị trung bình của f trên khoảng thời gian này là:
$$f_{\mathrm{tb}}=\frac1{b-a}\int_a^b f(t)\,dt.$$
Ví dụ nhiệt độ T(t)=20+2t °C trong 0≤t≤3 giờ có tích phân 69 °C·giờ, nên nhiệt độ trung bình 69/3=23°C. Trung bình không có đơn vị tích lũy; ta đã chia cho độ dài khoảng.
Bài luyện 1
Bể có 20 lít, lưu lượng ròng q(t)=−2 lít/phút trong 3 phút. Còn bao nhiêu nước?
Lưu lượng ròng là $-2$, nên lượng nước giảm.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Phải nhân lưu lượng với thời gian $3$ phút.
Đó là độ thay đổi; còn phải cộng lượng ban đầu $20$ lít.
Lời giải
Q(3)=20−2·3=14 lít. Dấu âm mô tả lượng giảm.
Bài luyện 2
v(t)=t−2 trên [0;4]. Tính quãng đường.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Đây là độ dịch chuyển; quãng đường phải tích phân trị tuyệt đối vận tốc.
Còn phải cộng quãng đường $2$ ở phần vận tốc âm trước $t=2$.
Tốc độ thay đổi theo thời gian; phải tích phân đồ thị hình chữ V.
Lời giải
Tách tại 2; mỗi phần tích phân |v| bằng 2. Quãng đường 4 đơn vị độ dài, dù độ dịch chuyển bằng 0.
Bài luyện 3
Tốc độ chi phí C′(x)=2x+3, C(0)=5. Tìm C(2).
Kết quả này là phần chi phí tăng thêm; phải cộng chi phí ban đầu $5$.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Không cộng một giá trị tốc độ vào chi phí; cần tích phân tốc độ trên cả đoạn.
Sau tích phân, kết quả là chi phí theo đơn vị tiền của $C$, không còn đơn vị tốc độ.
Lời giải
C(2)=5+∫ từ 0 đến 2 của (2x+3)dx=5+10=15, theo đơn vị tiền của C. Không bỏ chi phí ban đầu 5.
Hoàn thành cụm tích phân
Đọc đúng đại lượng và đơn vị: tích phân tốc độ thay đổi cho mức thay đổi, cộng lượng đầu để có lượng cuối. Quãng đường dùng |v|. Trong kho luyện, chọn dạng nguyên hàm, tích phân hoặc ứng dụng vừa học trước khi làm câu ghép nhiều bước.
Đang học