Bài 1: Tính đơn điệu và cực trị của hàm số
Toàn bộ lý thuyết trọng tâm về tính đồng biến, nghịch biến, quy tắc xét dấu đạo hàm, bảng biến thiên, cực đại, cực tiểu và lời giải chi tiết từ Bài tập 1.1 đến 1.9 SGK Toán 12 Kết nối tri thức.
BÀI 1: TÍNH ĐƠN ĐIỆU VÀ CỰC TRỊ CỦA HÀM SỐ
Sách giáo khoa Toán 12 tập 1 – Kết nối tri thức với cuộc sống (Trang 5 – 14)
Thuật ngữ trọng tâm
- Đồng biến, nghịch biến (tính đơn điệu)
- Bảng biến thiên của hàm số
- Điểm cực đại, điểm cực tiểu, cực trị
- Giá trị cực đại, giá trị cực tiểu của hàm số
Kiến thức, kĩ năng đạt được
- Nhận biết tính đồng biến, nghịch biến của hàm số dựa vào dấu của đạo hàm cấp một.
- Thể hiện tính đơn điệu và cực trị của hàm số qua bảng biến thiên và đồ thị.
- Tìm các khoảng đơn điệu và điểm cực trị của hàm số đa thức, phân thức hữu tỉ, căn thức.
- Vận dụng tính đơn điệu và cực trị để giải quyết các bài toán tối ưu trong thực tiễn.
Xét một chất điểm chuyển động trên một trục số nằm ngang, chiều dương từ trái sang phải (Hình 1.1). Giả sử vị trí $s(t)$ (mét) của chất điểm trên trục số đã chọn tại thời điểm $t$ (giây) được cho bởi công thức: $$s(t) = t^3 - 9t^2 + 15t, \quad t \ge 0$$
Câu hỏi: Hỏi trong khoảng thời gian nào thì chất điểm chuyển động sang phải, trong khoảng thời gian nào thì chất điểm chuyển động sang trái?
a) Khái niệm tính đơn điệu của hàm số
HĐ1. Nhận biết tính đồng biến, nghịch biến của hàm số
Quan sát đồ thị của hàm số $y = x^2$ (Hình 1.2).
a) Hàm số đồng biến trên khoảng nào?
b) Hàm số nghịch biến trên khoảng nào?
- Khi $x$ tăng từ $0$ đến $+\infty$, đồ thị đi lên từ trái sang phải, do đó hàm số đồng biến trên khoảng $(0; +\infty)$.
- Khi $x$ tăng từ $-\infty$ đến $0$, đồ thị đi xuống từ trái sang phải, do đó hàm số nghịch biến trên khoảng $(-\infty; 0)$.
ĐỊNH NGHĨA TÍNH ĐƠN ĐIỆU
Giả sử $K$ là một khoảng, một đoạn hoặc một nửa khoảng và $y = f(x)$ là hàm số xác định trên $K$.
- Hàm số $y = f(x)$ được gọi là đồng biến (tăng) trên $K$ nếu $\forall x_1, x_2 \in K, x_1 < x_2 \implies f(x_1) < f(x_2)$.
- Hàm số $y = f(x)$ được gọi là nghịch biến (giảm) trên $K$ nếu $\forall x_1, x_2 \in K, x_1 < x_2 \implies f(x_1) > f(x_2)$.
Hình ảnh hình học của đồ thị (Hình 1.3)
- Nếu hàm số đồng biến trên $K$ thì đồ thị của hàm số đi lên từ trái sang phải (H.1.3a).
- Nếu hàm số nghịch biến trên $K$ thì đồ thị của hàm số đi xuống từ trái sang phải (H.1.3b).
- Hàm số đồng biến hoặc nghịch biến trên $K$ được gọi chung là đơn điệu trên $K$.
Ví dụ 1 (SGK trang 6)
Hình 1.4 là đồ thị của hàm số $y = f(x) = |x|$. Hãy tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số.
Từ đồ thị suy ra: Hàm số đồng biến trên khoảng $(0; +\infty)$, nghịch biến trên khoảng $(-\infty; 0)$.
Luyện tập 1 (SGK trang 6)
Hình 1.5 là đồ thị của hàm số $y = x^3 - 3x^2 + 2$. Hãy tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số.
- Đồ thị đi lên trên $(-\infty; 0)$ và $(2; +\infty) \implies$ hàm số đồng biến trên các khoảng $(-\infty; 0)$ và $(2; +\infty)$.
- Đồ thị đi xuống trên khoảng $(0; 2) \implies$ hàm số nghịch biến trên khoảng $(0; 2)$.
Mối quan hệ giữa tính đơn điệu và dấu của đạo hàm
HĐ2. Nhận biết mối quan hệ giữa tính đơn điệu và dấu của đạo hàm
Xét hàm số $y = \begin{cases} -x & \text{nếu } x < -1 \\ 1 & \text{nếu } -1 \le x \le 1 \\ x & \text{nếu } x > 1 \end{cases}$ có đồ thị như Hình 1.6.
a) Xét dấu đạo hàm trên $(-\infty; -1)$ và $(1; +\infty)$. Nêu nhận xét về mối liên hệ giữa tính đơn điệu và dấu đạo hàm trên mỗi khoảng này.
b) Có nhận xét gì về đạo hàm $y'$ và hàm số $y$ trên khoảng $(-1; 1)$?
a) Trên $(-\infty; -1)$, $y = -x \implies y' = -1 < 0$, hàm số nghịch biến.
Trên $(1; +\infty)$, $y = x \implies y' = 1 > 0$, hàm số đồng biến.
Nhận xét: Đạo hàm mang dấu dương thì hàm số đồng biến, đạo hàm mang dấu âm thì hàm số nghịch biến.
b) Trên khoảng $(-1; 1)$, $y = 1$ (hằng số) $\implies y' = 0$, hàm số không đổi (hàm hằng).
ĐỊNH LÝ VỀ DẤU CỦA ĐẠO HÀM VÀ TÍNH ĐƠN ĐIỆU
Cho hàm số $y = f(x)$ có đạo hàm trên khoảng $K$.
- Nếu $f'(x) > 0$ với mọi $x \in K$ thì hàm số $f(x)$ đồng biến trên khoảng $K$.
- Nếu $f'(x) < 0$ với mọi $x \in K$ thì hàm số $f(x)$ nghịch biến trên khoảng $K$.
Ví dụ 2 (SGK trang 7)
Tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số $y = x^2 - 4x + 2$.
Ta có: $y' = 2x - 4$.
$y' > 0 \iff 2x - 4 > 0 \iff x > 2 \implies x \in (2; +\infty)$.
$y' < 0 \iff 2x - 4 < 0 \iff x < 2 \implies x \in (-\infty; 2)$.
Vậy hàm số đồng biến trên khoảng $(2; +\infty)$ và nghịch biến trên khoảng $(-\infty; 2)$.
Luyện tập 2 (SGK trang 7)
Tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số $y = -x^2 + 2x + 3$.
Ta có: $y' = -2x + 2$.
$y' = 0 \iff -2x + 2 = 0 \iff x = 1$.
$y' > 0 \iff -2x + 2 > 0 \iff x < 1 \implies x \in (-\infty; 1)$.
$y' < 0 \iff -2x + 2 < 0 \iff x > 1 \implies x \in (1; +\infty)$.
Bảng biến thiên của hàm số: Vậy hàm số đồng biến trên khoảng $(-\infty; 1)$ và nghịch biến trên khoảng $(1; +\infty)$.
b) Sử dụng bảng biến thiên xét tính đơn điệu của hàm số
Các bước xét tính đơn điệu của hàm số $y = f(x)$:
- Tìm tập xác định của hàm số.
- Tính đạo hàm $f'(x)$. Tìm các điểm $x_i$ mà tại đó $f'(x) = 0$ hoặc đạo hàm không tồn tại.
- Sắp xếp các điểm $x_i$ theo thứ tự tăng dần và lập bảng biến thiên của hàm số.
- Nêu kết luận về các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số.
Ví dụ 3 (SGK trang 8)
Tìm các khoảng đơn điệu của hàm số $y = \dfrac{x^2 - 2x + 5}{x - 1}$.
- Tập xác định: $D = \mathbb{R} \setminus \{1\}$.
- Đạo hàm: $$y' = \frac{(2x - 2)(x - 1) - (x^2 - 2x + 5)}{(x - 1)^2} = \frac{x^2 - 2x - 3}{(x - 1)^2}$$ $y' = 0 \iff x^2 - 2x - 3 = 0 \iff x = -1$ hoặc $x = 3$.
- Bảng biến thiên: - Kết luận: Hàm số đồng biến trên các khoảng $(-\infty; -1)$ và $(3; +\infty)$; nghịch biến trên các khoảng $(-1; 1)$ và $(1; 3)$.
Ví dụ 4 (SGK trang 8)
Xét chiều biến thiên của hàm số $y = \dfrac{x - 2}{x + 1}$.
- Tập xác định: $D = \mathbb{R} \setminus \{-1\}$.
- Ta có: $y' = \dfrac{(x + 1) - (x - 2)}{(x + 1)^2} = \dfrac{3}{(x + 1)^2} > 0, \forall x \ne -1$.
- Bảng biến thiên: - Kết luận: Hàm số đồng biến trên các khoảng $(-\infty; -1)$ và $(-1; +\infty)$.
Luyện tập 3 (SGK trang 9)
Tìm các khoảng đơn điệu của các hàm số sau:
a) $y = \dfrac{1}{3}x^3 + 3x^2 + 5x + 2$
b) $y = \dfrac{-x^2 + 5x - 7}{x - 2}$
a) Hàm số $y = \frac{1}{3}x^3 + 3x^2 + 5x + 2$:
- Tập xác định: $D = \mathbb{R}$.
- $y' = x^2 + 6x + 5 = (x + 1)(x + 5)$. Cho $y' = 0 \iff x = -5$ hoặc $x = -1$.
- Bảng biến thiên của hàm số:
- Kết luận: Hàm số đồng biến trên $(-\infty; -5)$ và $(-1; +\infty)$; nghịch biến trên $(-5; -1)$.
b) Hàm số $y = \frac{-x^2 + 5x - 7}{x - 2}$:
- Tập xác định: $D = \mathbb{R} \setminus \{2\}$.
- $y' = \dfrac{(-2x + 5)(x - 2) - (-x^2 + 5x - 7)}{(x - 2)^2} = \dfrac{-x^2 + 4x - 3}{(x - 2)^2}$.
- Cho $y' = 0 \iff -x^2 + 4x - 3 = 0 \iff x = 1$ hoặc $x = 3$.
- Kết luận: Hàm số đồng biến trên các khoảng $(1; 2)$ và $(2; 3)$; nghịch biến trên các khoảng $(-\infty; 1)$ và $(3; +\infty)$.
Vận dụng 1: Giải quyết trọn vẹn Tình huống mở đầu (SGK trang 9)
Giải bài toán trong tình huống mở đầu bằng cách thực hiện lần lượt các yêu cầu sau:
a) Theo ý nghĩa cơ học của đạo hàm, vận tốc $v(t)$ là đạo hàm của $s(t)$. Hãy tìm vận tốc $v(t)$.
b) Xét dấu của hàm $v(t)$, từ đó suy ra câu trả lời cho tình huống mở đầu.
a) Vận tốc tức thời của chất điểm:
Ta có: $v(t) = s'(t) = (t^3 - 9t^2 + 15t)' = 3t^2 - 18t + 15 = 3(t - 1)(t - 5), \quad t \ge 0$.
b) Xét dấu của vận tốc $v(t)$ với $t \ge 0$:
- Cho $v(t) = 0 \iff t = 1$ hoặc $t = 5$.
- Khi $t \in [0; 1) \cup (5; +\infty)$ thì $v(t) > 0 \implies$ chất điểm chuyển động sang phải (theo chiều dương).
- Khi $t \in (1; 5)$ thì $v(t) < 0 \implies$ chất điểm chuyển động sang trái (ngược chiều dương).
a) Khái niệm cực trị của hàm số
HĐ4. Nhận biết khái niệm cực đại, cực tiểu của hàm số
Quan sát đồ thị của hàm số $y = x^3 + 3x^2 - 4$ (Hình 1.7). Xét dấu đạo hàm của hàm số đã cho và hoàn thành các bảng sau vào vở.
Quanh điểm $x = -2$: giá trị $f(-2) = 0$ là cao nhất trong lân cận; quanh điểm $x = 0$: giá trị $f(0) = -4$ là thấp nhất trong lân cận.
ĐỊNH NGHĨA ĐIỂM CỰC ĐẠI, ĐIỂM CỰC TIỂU
Cho hàm số $y = f(x)$ xác định và liên tục trên khoảng $(a; b)$ và điểm $x_0 \in (a; b)$.
- Nếu tồn tại số $h > 0$ sao cho $f(x) < f(x_0)$ với mọi $x \in (x_0 - h; x_0 + h) \subset (a; b)$ và $x \ne x_0$ thì ta nói hàm số $f(x)$ đạt cực đại tại $x_0$.
- Nếu tồn tại số $h > 0$ sao cho $f(x) > f(x_0)$ với mọi $x \in (x_0 - h; x_0 + h) \subset (a; b)$ và $x \ne x_0$ thì ta nói hàm số $f(x)$ đạt cực tiểu tại $x_0$.
- $x_0$ được gọi là điểm cực đại (hoặc điểm cực tiểu) của hàm số.
- $f(x_0)$ được gọi là giá trị cực đại (kí hiệu $y_{CĐ}$) hoặc giá trị cực tiểu (kí hiệu $y_{CT}$) của hàm số (gọi chung là cực trị).
- Điểm $M_0(x_0; f(x_0))$ trên mặt phẳng toạ độ được gọi là điểm cực đại (hoặc điểm cực tiểu) của đồ thị hàm số.
Ví dụ 5 (SGK trang 10)
Hình 1.8 là đồ thị của hàm số $y = f(x)$. Hãy tìm các cực trị của hàm số.
- Hàm số đạt cực tiểu tại $x = -1$ và $y_{CT} = y(-1) = 2$.
- Hàm số đạt cực đại tại $x = 0$ và $y_{CĐ} = y(0) = 3$.
- Hàm số đạt cực tiểu tại $x = 1$ và $y_{CT} = y(1) = 2$.
Luyện tập 4 (SGK trang 10)
Hình 1.9 là đồ thị của hàm số $y = f(x)$. Hãy tìm các cực trị của hàm số.
- Hàm số đạt cực đại tại $x = -1$ và giá trị cực đại $y_{CĐ} = y(-1) = 5$.
- Hàm số đạt cực tiểu tại $x = 1$ và giá trị cực tiểu $y_{CT} = y(1) = 1$.
b) Cách tìm cực trị của hàm số (Dấu hiệu đổi dấu của đạo hàm)
ĐỊNH LÝ ĐIỀU KIỆN ĐỦ CỦA CỰC TRỊ
Giả sử hàm số $y = f(x)$ liên tục trên khoảng $(a; b)$ chứa điểm $x_0$ và có đạo hàm trên $(a; x_0)$ và $(x_0; b)$.
- Nếu $f'(x) > 0$ khi $x \in (a; x_0)$ và $f'(x) < 0$ khi $x \in (x_0; b)$ (đạo hàm đổi dấu từ dương sang âm khi qua $x_0$) thì $x_0$ là một điểm cực đại của hàm số.
- Nếu $f'(x) < 0$ khi $x \in (a; x_0)$ và $f'(x) > 0$ khi $x \in (x_0; b)$ (đạo hàm đổi dấu từ âm sang dương khi qua $x_0$) thì $x_0$ là một điểm cực tiểu của hàm số.
Lưu ý đặc biệt quan trọng!
Nếu $f'(x_0) = 0$ nhưng $f'(x)$ không đổi dấu khi $x$ đi qua $x_0$ thì $x_0$ KHÔNG PHẢI là điểm cực trị của hàm số.
Ví dụ: Hàm số $y = f(x) = x^3$ có $f'(x) = 3x^2 \ge 0, \forall x \in \mathbb{R}$. Mặc dù $f'(0) = 0$ nhưng đạo hàm luôn không âm trên toàn trục số, do đó $x = 0$ không phải là điểm cực trị của hàm số (Hình 1.10).
Ví dụ 6, 7, 8: Tìm cực trị của các dạng hàm số cơ bản
Lời giải: $y' = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x - 1)(x - 3) = 0 \iff x = 1$ hoặc $x = 3$.
Lập bảng biến thiên của hàm số:
Hàm số đạt cực đại tại $x = 1, y_{CĐ} = y(1) = 34$; đạt cực tiểu tại $x = 3, y_{CT} = y(3) = 30$.
Lời giải: Tập xác định $D = \mathbb{R} \setminus \{2\}$.
$y' = \dfrac{x^2 - 4x - 5}{(x - 2)^2} = 0 \iff x = -1$ hoặc $x = 5$.
Lập bảng biến thiên của hàm số: Hàm số đạt cực đại tại $x = -1, y_{CĐ} = y(-1) = -4$; đạt cực tiểu tại $x = 5, y_{CT} = y(5) = 8$.
Lời giải: Tập xác định $D = \mathbb{R} \setminus \{1\}$.
$y' = \dfrac{-2}{(x - 1)^2} < 0, \forall x \ne 1$.
Lập bảng biến thiên của hàm số: Từ bảng biến thiên suy ra hàm số không có cực trị.
Luyện tập 5 (SGK trang 12)
Tìm cực trị của các hàm số sau:
a) $y = x^4 - 3x^2 + 1$
b) $y = \dfrac{-x^2 + 2x - 1}{x + 2}$
a) Hàm số $y = x^4 - 3x^2 + 1$:
- Tập xác định: $D = \mathbb{R}$.
- $y' = 4x^3 - 6x = 2x(2x^2 - 3) = 0 \iff x = 0$ hoặc $x = \pm\sqrt{\dfrac{3}{2}}$.
- Khi $x$ qua $-\sqrt{\frac{3}{2}}$, $y'$ đổi từ $-$ sang $+ \implies$ đạt cực tiểu tại $x = -\sqrt{\frac{3}{2}}, y_{CT} = -\frac{5}{4}$.
- Khi $x$ qua $0$, $y'$ đổi từ $+$ sang $- \implies$ đạt cực đại tại $x = 0, y_{CĐ} = 1$.
- Khi $x$ qua $\sqrt{\frac{3}{2}}$, $y'$ đổi từ $-$ sang $+ \implies$ đạt cực tiểu tại $x = \sqrt{\frac{3}{2}}, y_{CT} = -\frac{5}{4}$.
b) Hàm số $y = \frac{-x^2 + 2x - 1}{x + 2}$:
- Tập xác định: $D = \mathbb{R} \setminus \{-2\}$.
- $y' = \dfrac{(-2x + 2)(x + 2) - (-x^2 + 2x - 1)}{(x + 2)^2} = \dfrac{-x^2 - 4x + 5}{(x + 2)^2}$.
- Cho $y' = 0 \iff -x^2 - 4x + 5 = 0 \iff x = 1$ hoặc $x = -5$.
- Hàm số đạt cực tiểu tại $x = -5, y_{CT} = y(-5) = 12$.
- Hàm số đạt cực đại tại $x = 1, y_{CĐ} = y(1) = 0$.
Vận dụng 2: Bài toán phóng vật thẳng đứng (SGK trang 12)
Một vật được phóng thẳng đứng lên trên từ độ cao $2\text{ m}$ với vận tốc ban đầu $24{,}5\text{ m/s}$. Bỏ qua sức cản của không khí thì độ cao $h$ (mét) của vật sau $t$ (giây) được cho bởi công thức: $$h(t) = 2 + 24{,}5t - 4{,}9t^2, \quad t \ge 0$$ Hỏi tại thời điểm nào thì vật đạt độ cao lớn nhất?
Xét hàm số $h(t) = 2 + 24{,}5t - 4{,}9t^2$ với $t \ge 0$.
Ta có: $h'(t) = 24{,}5 - 9{,}8t$.
Cho $h'(t) = 0 \iff 24{,}5 - 9{,}8t = 0 \iff t = \dfrac{24{,}5}{9{,}8} = 2{,}5\text{ (giây)}$.
Vì $h'(t) > 0$ khi $0 \le t < 2{,}5$ và $h'(t) < 0$ khi $t > 2{,}5$, nên hàm số đạt cực đại duy nhất tại $t = 2{,}5$.
Kết luận: Tại thời điểm $t = 2{,}5\text{ giây}$ thì vật đạt độ cao lớn nhất là $h(2{,}5) = 2 + 24{,}5(2{,}5) - 4{,}9(2{,}5)^2 = 32{,}625\text{ m}$.
Bài 1.1 (SGK trang 13)
Tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của các hàm số có đồ thị như sau:
a) Hình 1.11: Đồ thị hàm số $y = x^3 - \frac{3}{2}x^2$:
- Đồ thị đi lên trên khoảng $(-\infty; 0)$ và $(1; +\infty) \implies$ hàm số đồng biến trên $(-\infty; 0)$ và $(1; +\infty)$.
- Đồ thị đi xuống trên khoảng $(0; 1) \implies$ hàm số nghịch biến trên khoảng $(0; 1)$.
b) Hình 1.12: Đồ thị hàm số $y = \sqrt[3]{(x^2 - 4)^2}$:
- Đồ thị đi lên trên $(-2; 0)$ và $(2; +\infty) \implies$ hàm số đồng biến trên các khoảng $(-2; 0)$ và $(2; +\infty)$.
- Đồ thị đi xuống trên $(-\infty; -2)$ và $(0; 2) \implies$ hàm số nghịch biến trên các khoảng $(-\infty; -2)$ và $(0; 2)$.
Bài 1.2 (SGK trang 13)
Xét sự đồng biến, nghịch biến của các hàm số sau:
a) $y = \dfrac{1}{3}x^3 - 2x^2 + 3x + 1$
b) $y = -x^3 + 2x^2 - 5x + 3$
a) $y = \frac{1}{3}x^3 - 2x^2 + 3x + 1$:
$D = \mathbb{R}$. $y' = x^2 - 4x + 3 = (x - 1)(x - 3) = 0 \iff x = 1$ hoặc $x = 3$.
Bảng xét dấu: $y' > 0$ trên $(-\infty; 1) \cup (3; +\infty)$ và $y' < 0$ trên $(1; 3)$.
Vậy hàm số đồng biến trên $(-\infty; 1)$ và $(3; +\infty)$; nghịch biến trên $(1; 3)$.
b) $y = -x^3 + 2x^2 - 5x + 3$:
$D = \mathbb{R}$. $y' = -3x^2 + 4x - 5$.
Ta có $\Delta' = 2^2 - (-3)(-5) = 4 - 15 = -11 < 0$ và hệ số $a = -3 < 0 \implies y' < 0, \forall x \in \mathbb{R}$.
Vậy hàm số nghịch biến trên toàn bộ $\mathbb{R}$ (trên $(-\infty; +\infty)$).
Bài 1.3 (SGK trang 13)
Tìm các khoảng đơn điệu của các hàm số sau:
a) $y = \dfrac{2x - 1}{x + 2}$
b) $y = \dfrac{x^2 + x + 4}{x - 3}$
a) $y = \frac{2x - 1}{x + 2}$:
$D = \mathbb{R} \setminus \{-2\}$. Ta có $y' = \dfrac{2(2) - (-1)(1)}{(x + 2)^2} = \dfrac{5}{(x + 2)^2} > 0, \forall x \ne -2$.
Vậy hàm số đồng biến trên các khoảng $(-\infty; -2)$ và $(-2; +\infty)$.
b) $y = \frac{x^2 + x + 4}{x - 3}$:
$D = \mathbb{R} \setminus \{3\}$. Ta có $y' = \dfrac{(2x + 1)(x - 3) - (x^2 + x + 4)}{(x - 3)^2} = \dfrac{x^2 - 6x - 7}{(x - 3)^2}$.
$y' = 0 \iff x^2 - 6x - 7 = 0 \iff x = -1$ hoặc $x = 7$.
Vậy hàm số đồng biến trên các khoảng $(-\infty; -1)$ và $(7; +\infty)$; nghịch biến trên các khoảng $(-1; 3)$ và $(3; 7)$.
Bài 1.4 (SGK trang 13)
Xét chiều biến thiên của các hàm số sau:
a) $y = \sqrt{4 - x^2}$
b) $y = \dfrac{x}{x^2 + 1}$
a) $y = \sqrt{4 - x^2}$:
- Tập xác định: $4 - x^2 \ge 0 \iff x \in [-2; 2]$.
- Với $x \in (-2; 2)$, ta có: $y' = \dfrac{-2x}{2\sqrt{4 - x^2}} = \dfrac{-x}{\sqrt{4 - x^2}}$. Cho $y' = 0 \iff x = 0$.
- $y' > 0 \iff x \in (-2; 0) \implies$ hàm số đồng biến trên $[-2; 0]$.
- $y' < 0 \iff x \in (0; 2) \implies$ hàm số nghịch biến trên $[0; 2]$.
b) $y = \frac{x}{x^2 + 1}$:
- Tập xác định: $D = \mathbb{R}$.
- $y' = \dfrac{1 \cdot (x^2 + 1) - x(2x)}{(x^2 + 1)^2} = \dfrac{1 - x^2}{(x^2 + 1)^2}$. Cho $y' = 0 \iff x = \pm 1$.
- $y' > 0 \iff x \in (-1; 1) \implies$ hàm số đồng biến trên $(-1; 1)$.
- $y' < 0 \iff x \in (-\infty; -1) \cup (1; +\infty) \implies$ hàm số nghịch biến trên các khoảng $(-\infty; -1)$ và $(1; +\infty)$.
Bài 1.5 (SGK trang 13)
Giả sử số dân của một thị trấn sau $t$ năm kể từ năm 2000 được mô tả bởi hàm số: $$N(t) = \frac{25t + 10}{t + 5}, \quad t \ge 0$$ trong đó $N(t)$ được tính bằng nghìn người.
a) Tính số dân của thị trấn đó vào các năm 2000 và 2015.
b) Tính đạo hàm $N'(t)$ và $\lim_{t \to +\infty} N(t)$. Từ đó giải thích tại sao số dân của thị trấn đó luôn tăng nhưng sẽ không vượt quá một ngưỡng nào đó.
a) Dân số thị trấn:
- Năm 2000 ứng với $t = 0$: $N(0) = \dfrac{25(0) + 10}{0 + 5} = \dfrac{10}{5} = 2$ (nghìn người) = $2\,000$ người.
- Năm 2015 ứng với $t = 15$: $N(15) = \dfrac{25(15) + 10}{15 + 5} = \dfrac{385}{20} = 19{,}25$ (nghìn người) = $19\,250$ người.
b) Đạo hàm và giới hạn:
- Đạo hàm: $N'(t) = \dfrac{25(5) - 10(1)}{(t + 5)^2} = \dfrac{115}{(t + 5)^2} > 0, \forall t \ge 0$.
Vì $N'(t) > 0$ với mọi $t \ge 0$ nên hàm số $N(t)$ luôn đồng biến, tức là số dân của thị trấn luôn tăng theo thời gian.
- Giới hạn: $\lim_{t \to +\infty} N(t) = \lim_{t \to +\infty} \dfrac{25t + 10}{t + 5} = 25$ (nghìn người).
Điều này giải thích rằng số dân thị trấn dù luôn tăng nhưng sẽ tiến dần tới tiệm cận ngang $25$ nghìn người và sẽ không bao giờ vượt quá ngưỡng $25\,000$ người.
Bài 1.6 (SGK trang 14)
Đồ thị của đạo hàm bậc nhất $y = f'(x)$ của hàm số $f(x)$ được cho trong Hình 1.13.
a) Hàm số $f(x)$ đồng biến trên những khoảng nào? Giải thích.
b) Tại giá trị nào của $x$ thì $f(x)$ có cực đại hoặc cực tiểu? Giải thích.
a) Các khoảng đồng biến của $f(x)$:
Hàm số $f(x)$ đồng biến khi và chỉ khi đồ thị của đạo hàm $y = f'(x)$ nằm phía trên trục hoành ($f'(x) > 0$).
Quan sát Hình 1.13, $f'(x) > 0$ khi $x \in (2; 4)$ và $x \in (6; +\infty)$.
Vậy hàm số $f(x)$ đồng biến trên các khoảng $(2; 4)$ và $(6; +\infty)$.
b) Các điểm cực trị của $f(x)$:
- Tại $x = 2$, đồ thị $f'(x)$ cắt trục hoành từ dưới lên (đổi dấu từ $-$ sang $+$) $\implies x = 2$ là điểm cực tiểu của $f(x)$.
- Tại $x = 4$, đồ thị $f'(x)$ cắt trục hoành từ trên xuống (đổi dấu từ $+$ sang $-$) $\implies x = 4$ là điểm cực đại của $f(x)$.
- Tại $x = 6$, đồ thị $f'(x)$ cắt trục hoành từ dưới lên (đổi dấu từ $-$ sang $+$) $\implies x = 6$ là điểm cực tiểu của $f(x)$.
Bài 1.7 (SGK trang 14)
Tìm cực trị của các hàm số sau:
a) $y = 2x^3 - 9x^2 + 12x - 5$
b) $y = x^4 - 4x^2 + 2$
c) $y = \dfrac{x^2 - 2x + 3}{x - 1}$
d) $y = \sqrt{4x - 2x^2}$
a) $y = 2x^3 - 9x^2 + 12x - 5$:
$y' = 6x^2 - 18x + 12 = 6(x^2 - 3x + 2) = 0 \iff x = 1$ hoặc $x = 2$.
- Cực đại tại $x = 1, y_{CĐ} = y(1) = 0$.
- Cực tiểu tại $x = 2, y_{CT} = y(2) = -1$.
b) $y = x^4 - 4x^2 + 2$:
$y' = 4x^3 - 8x = 4x(x^2 - 2) = 0 \iff x = 0$ hoặc $x = \pm\sqrt{2}$.
- Cực đại tại $x = 0, y_{CĐ} = 2$.
- Cực tiểu tại $x = \pm\sqrt{2}, y_{CT} = -2$.
c) $y = \frac{x^2 - 2x + 3}{x - 1}$:
$D = \mathbb{R} \setminus \{1\}$. $y' = \dfrac{(2x - 2)(x - 1) - (x^2 - 2x + 3)}{(x - 1)^2} = \dfrac{x^2 - 2x - 1}{(x - 1)^2} = 0 \iff x = 1 \pm \sqrt{2}$.
- Cực đại tại $x = 1 - \sqrt{2}, y_{CĐ} = y(1 - \sqrt{2}) = -2\sqrt{2}$.
- Cực tiểu tại $x = 1 + \sqrt{2}, y_{CT} = y(1 + \sqrt{2}) = 2\sqrt{2}$.
d) $y = \sqrt{4x - 2x^2}$:
Điều kiện: $4x - 2x^2 \ge 0 \iff x \in [0; 2]$.
Với $x \in (0; 2)$, $y' = \dfrac{4 - 4x}{2\sqrt{4x - 2x^2}} = \dfrac{2(1 - x)}{\sqrt{4x - 2x^2}} = 0 \iff x = 1$.
Khi qua $x = 1$, $y'$ đổi dấu từ $+$ sang $- \implies$ hàm số đạt cực đại tại $x = 1, y_{CĐ} = y(1) = \sqrt{2}$ (không có cực tiểu).
Bài 1.8 (SGK trang 14)
Cho hàm số $y = f(x) = |x|$.
a) Tính các giới hạn $\lim_{x \to 0^+} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0}$ và $\lim_{x \to 0^-} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0}$. Từ đó suy ra hàm số không có đạo hàm tại $x = 0$.
b) Sử dụng định nghĩa, chứng minh hàm số có cực tiểu tại $x = 0$ (xem Hình 1.4).
a) Tính giới hạn tỉ số số gia:
- Khi $x \to 0^+$, $f(x) = |x| = x \implies \lim_{x \to 0^+} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{x}{x} = 1$.
- Khi $x \to 0^-$, $f(x) = |x| = -x \implies \lim_{x \to 0^-} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0^-} \dfrac{-x}{x} = -1$.
Vì $\lim_{x \to 0^+} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0} = 1 \ne -1 = \lim_{x \to 0^-} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0}$ nên không tồn tại đạo hàm tại $x = 0$.
b) Chứng minh cực tiểu theo định nghĩa:
Ta có $f(0) = |0| = 0$.
Với mọi $x \ne 0$, ta luôn có $f(x) = |x| > 0 = f(0)$.
Chọn số $h > 0$ bất kì, với mọi $x \in (-h; h)$ và $x \ne 0$, ta đều có $f(x) > f(0)$.
Theo định nghĩa cực trị, hàm số $y = |x|$ đạt cực tiểu tại $x = 0$ và $y_{CT} = 0$.
Ý nghĩa: Hàm số vẫn có thể đạt cực trị tại những điểm mà đạo hàm không tồn tại!
Bài 1.9 (SGK trang 14)
Giả sử doanh số (tính bằng số sản phẩm) của một sản phẩm mới (trong vòng một số năm nhất định) tuân theo quy luật logistic được mô hình hoá bằng hàm số: $$f(t) = \frac{5\,000}{1 + 5e^{-t}}, \quad t \ge 0$$ trong đó thời gian $t$ được tính bằng năm, kể từ khi phát hành sản phẩm mới. Khi đó, đạo hàm $f'(t)$ sẽ biểu thị tốc độ bán hàng. Hỏi sau khi phát hành bao nhiêu năm thì tốc độ bán hàng là lớn nhất?
Tốc độ bán hàng được biểu thị bởi đạo hàm $v(t) = f'(t)$:
$$f'(t) = 5\,000 \cdot \left((1 + 5e^{-t})^{-1}\right)' = 5\,000 \cdot (-1)(1 + 5e^{-t})^{-2} \cdot (-5e^{-t}) = \frac{25\,000 e^{-t}}{(1 + 5e^{-t})^2}$$ Để tìm thời điểm tốc độ bán hàng lớn nhất, ta tìm giá trị cực đại của hàm số $v(t) = f'(t)$ trên $[0; +\infty)$ bằng cách tính đạo hàm $v'(t) = f''(t)$:
$$f''(t) = 25\,000 \cdot \frac{-e^{-t}(1 + 5e^{-t})^2 - e^{-t} \cdot 2(1 + 5e^{-t})(-5e^{-t})}{(1 + 5e^{-t})^4} = \frac{25\,000 e^{-t}(1 + 5e^{-t})[-(1 + 5e^{-t}) + 10e^{-t}]}{(1 + 5e^{-t})^4} = \frac{25\,000 e^{-t}(5e^{-t} - 1)}{(1 + 5e^{-t})^3}$$ Cho $f''(t) = 0 \iff 5e^{-t} - 1 = 0 \iff e^{-t} = \dfrac{1}{5} \iff e^t = 5 \iff t = \ln 5 \approx 1{,}609\text{ (năm)}$.
- Khi $t \in [0; \ln 5)$ thì $5e^{-t} - 1 > 0 \implies v'(t) > 0$.
- Khi $t > \ln 5$ thì $5e^{-t} - 1 < 0 \implies v'(t) < 0$.
Do đó hàm tốc độ $v(t)$ đạt cực đại duy nhất tại $t = \ln 5 \approx 1{,}61\text{ năm}$ (khoảng 1 năm 7 tháng).
Kết luận: Sau khi phát hành khoảng $1{,}61\text{ năm}$ (tức $\ln 5\text{ năm}$) thì tốc độ bán hàng của sản phẩm là lớn nhất.