Đề hỏi giá trị hay tốc độ thay đổi?
Nhiệt độ và tốc độ tăng nhiệt độ là hai đại lượng khác nhau. Nếu nhiệt độ là T(t), giá trị T(2) cho biết nhiệt độ lúc 2; đạo hàm T′(2) cho biết nhiệt độ đang thay đổi nhanh thế nào ở lúc đó. Ta đọc câu hỏi và đơn vị trước khi chọn hàm để tính.
Các đại lượng thường gặp
Tốc độ thay đổi trung bình của f từ t=a đến t=b là $[f(b)-f(a)]/(b-a)$. Tốc độ thay đổi tức thời tại a là f′(a), nếu đạo hàm tồn tại.
Với chuyển động thẳng có tọa độ s(t): vận tốc v=s′, gia tốc a=v′=s″. Tốc độ chuyển động là |v|, luôn không âm. Vận tốc âm cho biết vật đi ngược chiều dương, không có nghĩa vật có “tốc độ âm”.
Nếu s tính bằng mét, t bằng giây, thì v có đơn vị m/s, a có đơn vị m/s². Đạo hàm của đại lượng khác cũng có đơn vị “đơn vị của hàm chia đơn vị của biến”.
Ví dụ 1 — Đi rồi quay lại
Một vật có tọa độ $s(t)=t^3-6t^2+9t$ mét trên 0≤t≤4 giây.
Ta có $v(t)=3t^2-12t+9=3(t-1)(t-3)$ và a(t)=6t−12. Vật đi theo chiều dương trên (0;1),(3;4), theo chiều âm trên (1;3). Tại t=1,3 vận tốc bằng 0 và đổi dấu, nên vật đổi chiều.
Các vị trí: s(0)=0, s(1)=4, s(3)=0, s(4)=4. Độ dịch chuyển là s(4)−s(0)=4 m. Quãng đường phải cộng độ dài từng chặng:
$$|4-0|+|0-4|+|4-0|=12\text{ m}.$$
Chưa cần tích phân vì đã biết hàm vị trí và các thời điểm đổi chiều. Không lấy độ dịch chuyển thay cho quãng đường.
Thử: vận tốc khác tốc độ
Với chuyển động trên, tại t=2 giây, vận tốc và tốc độ lần lượt là gì?
Đúng: vận tốc có dấu, tốc độ không âm.
Tốc độ không thể âm.
a(2)=0 nhưng v(2)=−3.
s(2)=2 là vị trí, không phải vận tốc.
Lời giải
Vận tốc −3 m/s, tốc độ |−3|=3 m/s. Chọn A. Gia tốc lúc này bằng 0 nhưng không làm vận tốc bằng 0.
Ví dụ 2 — Một mô hình tăng trưởng
Trong một mô hình toán học, số lượng được cho bởi $P(t)=100/(1+4e^{-t})$, t≥0 giờ. Ký hiệu e là cơ số của hàm mũ tự nhiên. Để tính đạo hàm ở đây, dùng quy tắc $(e^{u(t)})'=u'(t)e^{u(t)}$, nên $(e^{-t})'=-e^{-t}$.
Dùng đạo hàm thương:
$$P'(t)=\frac{400e^{-t}}{(1+4e^{-t})^2}>0.$$
Ban đầu P(0)=20, còn P′(0)=400/25=16 đơn vị/giờ. Một số là lượng hiện có, số kia là tốc độ tăng lúc đầu.
Khi t→+∞, e⁻ᵗ→0 nên P→100. Với mọi t hữu hạn, mẫu lớn hơn 1 nên P<100. Theo mô hình, lượng tăng dần và tiến gần 100, không đạt 100 tại thời điểm hữu hạn. Không biến kết luận của mô hình thành khẳng định cho mọi tình huống thực tế.
Thử: tốc độ trung bình
Với s(t) ở ví dụ 1, tính vận tốc trung bình từ t=0 đến t=4 và tốc độ trung bình trên cả hành trình.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Vận tốc trung bình dùng độ dịch chuyển $4$ m; chỉ tốc độ trung bình dùng quãng đường $12$ m.
Tốc độ trung bình là quãng đường chia thời gian, không lấy thời gian chia quãng đường.
Cả hai đại lượng phải chia cho thời gian $4$ giây.
Lời giải
Vận tốc trung bình bằng độ dịch chuyển/thời gian =4/4=1 m/s. Tốc độ trung bình bằng quãng đường/thời gian =12/4=3 m/s.
Bài luyện 1
Nhiệt độ $T(t)=20+3t-t^2$ °C trên 0≤t≤3 phút. Tính T(1), T′(1) và diễn giải.
Đơn vị và ý nghĩa bị nhầm: $T'(1)$ là tốc độ thay đổi, còn nhiệt độ là $T(1)=22^\circ$C.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Đạo hàm $3-2t$ tại $t=1$ bằng $1>0$, nên nhiệt độ đang tăng.
Thay $t=1$ cho $20+3-1=22$, không phải $24$.
Lời giải
T(1)=22°C; T′(t)=3−2t nên T′(1)=1°C/phút. Nhiệt độ đang tăng tại phút 1; 1 không phải nhiệt độ lúc đó.
Bài luyện 2
Vật có vị trí $s(t)=t^2-4t$ m trên [0;5] giây. Tìm thời điểm đổi chiều và quãng đường.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Giải $v=2t-4=0$ cho $t=2$; quãng đường phải tách tại thời điểm đổi chiều.
Chặng sau đi từ vị trí $-4$ đến $5$, dài $9$ m; tổng với chặng đầu $4$ m là $13$ m.
Tính liên tục không ngăn đổi chiều; dấu vận tốc đổi từ âm sang dương tại $t=2$.
Lời giải
v=2t−4 đổi từ âm sang dương tại t=2. s(0)=0,s(2)=−4,s(5)=5. Quãng đường |−4−0|+|5−(−4)|=13 m; độ dịch chuyển chỉ 5 m.
Bài luyện 3
Mô hình $N(t)=t^3$ trên [0;2] giờ. Tìm tốc độ tăng lớn nhất, không phải số lượng lớn nhất.
Đây là lượng tích lũy tại $t=2$; tốc độ phải tính bằng đạo hàm.
Phương án dùng đúng dữ kiện, điều kiện và lập luận.
Đạo hàm của $t^3$ là $3t^2$.
Tốc độ $3t^2$ tăng trên đoạn $[0;2]$, nên đạt lớn nhất tại đầu phải.
Lời giải
Tốc độ tăng v=N′=3t², tăng trên [0;2]. Giá trị lớn nhất là v(2)=12 đơn vị/giờ tại t=2. N(2)=8 là lượng, không phải tốc độ.
Những điều cần nhớ
Tách giá trị hàm, tốc độ thay đổi trung bình và đạo hàm tại điểm. Trong chuyển động, tách vận tốc/tốc độ và độ dịch chuyển/quãng đường. Khi đề hỏi tốc độ tăng lớn nhất, cần tối ưu đạo hàm của đại lượng gốc.
Đang học