Định nghĩa và ý nghĩa của đạo hàm
Tính đạo hàm tại một điểm bằng giới hạn của tỉ số (f(x₀ + h) − f(x₀))/h; hiểu f′(x₀) là hệ số góc tiếp tuyến và vận tốc tức thời; viết phương trình tiếp tuyến; nhận ra hàm không có đạo hàm (như |x| tại 0).
Ứng với SGK Kết nối tri thức: Bài 31
⚡ Nhớ nhanh
- 1Đạo hàm tại x₀ là giới hạn của tỉ số số gia: , nếu giới hạn đó tồn tại (là một số thực).
- 2Ý nghĩa hình học: f′(x₀) là hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị tại điểm (x₀; f(x₀)). Cát tuyến qua hai điểm (x₀; f(x₀)) và (x₀ + h; f(x₀ + h)) có hệ số góc chính là tỉ số trên; cho h → 0 thì cát tuyến thành tiếp tuyến.
- 3Phương trình tiếp tuyến: y = f′(x₀)(x − x₀) + f(x₀). Cần đủ ba số: x₀, y₀ = f(x₀) và k = f′(x₀).
- 4Ý nghĩa vật lí: quãng đường s(t) thì v(t₀) = s′(t₀) là vận tốc tức thời tại t₀. Tỉ số s(t₀ + h) − s(t₀) chia h là vận tốc trung bình trong khoảng h.
- 5Hàm có đạo hàm tại x₀ thì liên tục tại x₀, nhưng ngược lại không đúng: y = |x| liên tục tại 0 mà không có đạo hàm (góc nhọn).
- 6Bài này tính đạo hàm bằng định nghĩa. Các quy tắc tính nhanh ở bài sau; lên lớp 12, dấu của f′ sẽ cho biết hàm đồng biến hay nghịch biến.
👀 Nhìn là hiểu
Kéo thanh h → 0 và bấm nút h > 0 / h < 0 để chọn phía: cát tuyến xoay thành tiếp tuyến, bảng hệ số góc với h = ±0,1; ±0,01; ±0,001 dồn về một số. Bấm |x| tại 0 để gặp cái bẫy: hai phía cho hai số khác nhau.
━ ● cát tuyến MN, N(x₀ + h; f(x₀ + h))· ┅ tiếp tuyến
h = 0,126 · hệ số góc cát tuyến = 2,1259
| |h| | h < 0 | h > 0 |
|---|---|---|
| 0,1 | 1,9 | 2,1 |
| 0,01 | 1,99 | 2,01 |
| 0,001 | 1,999 | 2,001 |
f′(1) = 2
x², x₀ = 1
(f(1 + h) − f(1))/h = ((1 + h)² − 1)/h = (2h + h²)/h = 2 + h → 2 khi h → 0. Vậy f′(1) = 2: hệ số góc tiếp tuyến tại M(1; 1), tiếp tuyến y = 2(x − 1) + 1 = 2x − 1.
1 📐 Đạo hàm tại một điểm bằng định nghĩa
Cần nhớ
- ✦Số gia: x đổi từ x₀ sang x₀ + h thì hàm đổi từ f(x₀) sang f(x₀ + h). Tốc độ thay đổi trung bình là (h ≠ 0).
- ✦Đạo hàm là giới hạn của tốc độ đó khi h → 0: . Đây là giới hạn của bài 16, nên cần rút gọn hết dạng 00 rồi mới cho h → 0.
- ✦f′(x₀) là một số (độ dốc tại điểm đó); f(x₀) là giá trị hàm (độ cao của điểm). Ví dụ: f(x) = x² có f(1) = 1 nhưng f′(1) = 2.
- ✦Tính theo định nghĩa cho f(x) = x²: tỉ số bằng 2x₀ + h nên f′(x₀) = 2x₀ với mọi x₀. Tương tự f(x) = x³ cho 3x₀² + 3x₀h + h² nên f′(x₀) = 3x₀².
Dạng bài
Tính f′(x₀) bằng định nghĩa
- 1 Viết tỉ số với số cụ thể của x₀.
- 2 Khai triển tử, rút gọn cho h (được phép vì h ≠ 0) cho tới khi hết dạng 00.
- 3 Cho h → 0 trong biểu thức đã rút gọn, đọc kết quả.
- 4 Thử lại: tính tỉ số với h = 0,01 và h = −0,01 xem có gần kết quả không.
⚠️ Bẫy hay gặp: Thay h = 0 ngay vào ra 00, vô nghĩa. Phải rút gọn thành 2 + h trước, rồi mới cho h → 0.
Tính đạo hàm của f(x) = x² tại x₀ = 1 bằng định nghĩa.
Hướng dẫn giải
Dạng bài
Một hàm không phải đa thức: 1/x
- 1 Viết tỉ số, quy đồng tử số.
- 2 Rút gọn h ở tử và mẫu.
- 3 Cho h → 0 và thử lại bằng một giá trị h nhỏ.
⚠️ Bẫy hay gặp: Hàm giảm thì f′ âm. Bỏ sót dấu trừ khi quy đồng (1 − (1 + h) = −h, không phải h) là lỗi hay gặp.
Tính đạo hàm của f(x) = 1/x tại x₀ = 1 bằng định nghĩa.
Hướng dẫn giải
Bốn hàm mẫu tại x₀ = 1 (khớp với hình)
| f(x) | Tỉ số sau khi rút gọn | f′(1) |
|---|---|---|
| x² | 2 + h | 2 |
| x³ | 3 + 3h + h² | 3 |
| 1/x | −11 + h | −1 |
| |x| tại x₀ = 0 | h > 0: 1 · h < 0: −1 | không tồn tại |
2 📈 Ý nghĩa hình học: tiếp tuyến
Cần nhớ
- ✦Cát tuyến qua M₀(x₀; f(x₀)) và M(x₀ + h; f(x₀ + h)) có hệ số góc .
- ✦Cho h → 0 thì M tiến về M₀, cát tuyến xoay thành tiếp tuyến tại M₀. Hệ số góc tiếp tuyến là k = f′(x₀).
- ✦Phương trình tiếp tuyến tại M₀: y = k(x − x₀) + y₀ với y₀ = f(x₀), k = f′(x₀).
- ✦f′(x₀) > 0: tiếp tuyến dốc lên; f′(x₀) < 0: dốc xuống; f′(x₀) = 0: nằm ngang. Ví dụ: x² tại 1 có k = 2 > 0, 1/x tại 1 có k = −1 < 0.
Dạng bài
Viết phương trình tiếp tuyến tại điểm có hoành độ x₀
- 1 Tính y₀ = f(x₀).
- 2 Tính k = f′(x₀) bằng định nghĩa (tỉ số rồi cho h → 0).
- 3 Thay vào y = k(x − x₀) + y₀ và rút gọn.
- 4 Thử lại: thay x = x₀ vào tiếp tuyến phải ra y₀.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy luôn x₀ = 1 làm tung độ, hoặc nhầm k = f(1) = 1. Ở đây f(1) = 1 còn f′(1) = 2: hai số khác nhau, và đáp án khác hẳn.
Viết phương trình tiếp tuyến của đồ thị y = x² tại điểm có hoành độ x₀ = 1.
Hướng dẫn giải
Dạng bài
Tiếp tuyến của đồ thị bậc ba x³ và tiếp tuyến cắt lại đồ thị
- 1 y₀ = f(x₀), k = f′(x₀) bằng định nghĩa.
- 2 Viết tiếp tuyến.
- 3 Cho hoành độ giao điểm: giải f(x) = tiếp tuyến. Nghiệm kép là tiếp điểm, nghiệm còn lại là giao điểm thứ hai.
⚠️ Bẫy hay gặp: Nghĩ tiếp tuyến chỉ chạm đồ thị đúng một điểm (như với đường tròn). Với x³, tiếp tuyến tại 1 cắt lại đồ thị tại x = −2. Tiếp tuyến chỉ nói độ dốc trùng nhau tại tiếp điểm.
Viết tiếp tuyến của y = x³ tại x₀ = 1. Tiếp tuyến đó còn cắt đồ thị ở điểm nào nữa?
Hướng dẫn giải
3 ⚠️ Khi nào không có đạo hàm
Cần nhớ
- ✦Đạo hàm là giới hạn, nên cần hai phía h > 0 và h < 0 cho cùng một số. Hai phía khác nhau (hoặc không hữu hạn) ⇒ không tồn tại.
- ✦Ví dụ: f(x) = |x| tại 0: tỉ số = |h|/h bằng 1 khi h > 0 và −1 khi h < 0 ⇒ không có đạo hàm tại 0. Đồ thị có góc nhọn ở O nên không có tiếp tuyến duy nhất.
- ✦Có đạo hàm ⇒ liên tục. Chiều ngược lại sai: |x| liên tục tại 0 nhưng không có đạo hàm. Hàm không liên tục tại x₀ thì chắc chắn không có đạo hàm tại x₀.
Dạng bài
Xét đạo hàm của hàm từng khúc (hoặc có |…|) tại điểm đổi công thức
- 1 Tính tỉ số cho h > 0 bằng công thức bên phải x₀, cho h < 0 bằng công thức bên trái.
- 2 Cho h → 0⁺ và h → 0⁻.
- 3 Hai giới hạn bằng nhau thì f′(x₀) bằng số đó; khác nhau thì không có đạo hàm.
⚠️ Bẫy hay gặp: Chỉ tính một phía rồi kết luận f′(0) = 0. Hàm đổi công thức tại x₀ bắt buộc xét cả hai phía.
Cho f(x) = x² nếu x ≥ 0 và f(x) = 2x nếu x < 0. Xét đạo hàm của f tại x₀ = 0.
Hướng dẫn giải
4 🚗 Vận tốc tức thời, đạo hàm trên khoảng, số e
Cần nhớ
- ✦Vận tốc trung bình trong [t₀; t₀ + h]: (quãng đường chia thời gian).
- ✦Vận tốc tức thời tại t₀: . Đơn vị là đơn vị quãng đường trên đơn vị thời gian (m/s).
- ✦Hàm có đạo hàm tại mọi điểm của khoảng (a; b) thì có đạo hàm trên khoảng (a; b); khi đó f′(x) là một hàm số mới. Tính theo định nghĩa: (x²)′ = 2x, (x³)′ = 3x², (1/x)′ = −1/x² (x ≠ 0).
- ✦Số e ≈ 2,718. Hàm eˣ có đạo hàm tại 0 bằng 1, tức là tỉ số (eʰ − 1)/h dần về 1. Số e sẽ dùng khi học đạo hàm của hàm mũ ở bài sau.
Dạng bài
Tính vận tốc tức thời từ quãng đường
- 1 Tính s(t₀) và s(t₀ + h).
- 2 Lập tỉ số , rút gọn.
- 3 Cho h → 0, được v(t₀).
- 4 Thử lại: so với vận tốc trung bình trên khoảng thật ngắn (h = 0,01).
⚠️ Bẫy hay gặp: Ba số hay bị nhầm: s(2) = 20 là quãng đường (m); s22 = 10 là vận tốc trung bình từ lúc 0 đến 2; v(2) = 20 mới là vận tốc tức thời. Cùng "20" nhưng khác đơn vị và khác ý nghĩa.
Một vật chuyển động có s(t) = 5t² (mét, giây). Tính vận tốc tức thời tại t = 2 giây.
Hướng dẫn giải
Trung bình và tức thời
| Trung bình | Tức thời | |
|---|---|---|
| Công thức | (f(b) − f(a))/(b − a) | giới hạn của tỉ số khi h → 0 |
| Trên hình | Hệ số góc cát tuyến | Hệ số góc tiếp tuyến |
| Ứng với | Cả một khoảng | Đúng một điểm |
| Vật lí | Vận tốc trung bình | Số trên đồng hồ tốc độ |
5 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai
⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm
- ✦Tử số của tỉ số luôn chia hết cho h (nếu f có đạo hàm): khai triển, các số hạng không chứa h triệt tiêu với f(x₀), phần còn lại chia h rồi cho h = 0.
- ✦Viết tiếp tuyến chỉ cần ba số x₀, y₀, k: y = k(x − x₀) + y₀. Thử lại bằng cách thay x₀ phải ra y₀.
- ✦Hệ số góc tiếp tuyến tại x₀ của y = x² là 2x₀, của y = x³ là 3x₀²: dùng để tìm x₀ khi đề cho trước hệ số góc.
- ✦Hàm có góc nhọn, bước nhảy hoặc hai công thức đổi tại x₀: nghi ngờ không có đạo hàm và tính cả hai phía.
⚠️ Lỗi hay sai nhất
- ✦Nhầm f′(x₀) với f(x₀): với x² tại 1, f(1) = 1 còn f′(1) = 2; nên tiếp tuyến là y = 2x − 1 chứ không phải y = x.
- ✦Cho h = 0 trước khi rút gọn rồi nói "ra 00 nên không có đạo hàm". Phải rút gọn h trước.
- ✦Tưởng hàm liên tục thì có đạo hàm. Phản ví dụ: |x| tại 0.
- ✦Quên y₀ khi viết tiếp tuyến: x³ tại 1 ra y = 3x − 3 (sai) thay vì y = 3x − 2.
- ✦Lẫn vận tốc trung bình với tức thời, hoặc lẫn vận tốc với quãng đường s(t₀).
- ✦Hàm từng khúc chỉ xét một phía của x₀: phải xét cả h > 0 và h < 0.
🧮 Máy tính cầm tay (dùng để thử lại)
- ✦Chế độ Bảng (TABLE): nhập tỉ số (f(x₀ + h) − f(x₀))/h, cho h chạy các giá trị ±0,1; ±0,01; ±0,001 xem giá trị có dồn về một số không. Hai phía dồn về hai số khác nhau là dấu hiệu không có đạo hàm.
- ✦Phím d/dx (đạo hàm tại một điểm): nhập hàm và x₀ để thử lại f′(x₀). Bài tự luận vẫn phải trình bày bằng định nghĩa.
- ✦Thử lại tiếp tuyến: tính giá trị của tiếp tuyến tại x₀ phải bằng f(x₀).
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.
Tính đạo hàm bằng định nghĩa
- 1Nhận biết
Đạo hàm của f tại x₀ (nếu tồn tại) được định nghĩa là
- 2Thông hiểu Với f(x) = x² tại x₀ = 3, tỉ số (f(3 + h) − f(3))/h = 6 + h (h ≠ 0). Vậy f′(3) = .
- 3Thông hiểu Cho f(x) = x² + x. Tính f′(1) bằng định nghĩa. Đáp số:
- 4Thông hiểu
Cho f(x) = x³. Giá trị f′(2) bằng
- 5Vận dụng
Cho f(x) = 1/x. Giá trị f′(2) bằng
- 6Vận dụng Cho f(x) = x² − 3x. Tính f′(1) bằng định nghĩa. Đáp số:
Tiếp tuyến
- 1Nhận biết
Hệ số góc của tiếp tuyến của đồ thị y = f(x) tại điểm có hoành độ x₀ là
- 2Thông hiểu
Tiếp tuyến của đồ thị y = x² tại điểm có hoành độ x₀ = 2 có phương trình
- 3Thông hiểu
Tiếp tuyến của đồ thị y = x³ tại điểm có hoành độ x₀ = 1 có phương trình
- 4Thông hiểu Tiếp tuyến của đồ thị y = 1/x tại điểm có hoành độ 1 cắt trục tung tại điểm có tung độ .
- 5Vận dụng Tiếp tuyến của đồ thị y = x² tại điểm có hoành độ −1 cắt trục tung tại điểm có tung độ .
- 6Vận dụng
Tiếp tuyến của đồ thị y = x² tại điểm hoành độ x₀ có hệ số góc 10. Khi đó x₀ bằng
Hàm không có đạo hàm
- 1Nhận biết
Hàm số y = |x| tại x = 0
- 2Thông hiểu Với f(x) = |x| tại x₀ = 0, khi h < 0 thì tỉ số (f(h) − f(0))/h bằng .
- 3Thông hiểu
Khẳng định nào đúng?
- 4Vận dụng
Cho f(x) = x² nếu x ≥ 0 và f(x) = 2x nếu x < 0. Đạo hàm của f tại 0
Vận tốc tức thời
- 1Nhận biết
Quãng đường s(t) thì vận tốc tức thời tại t₀ là
- 2Thông hiểu Một vật có s(t) = t² + 2t (mét, giây). Vận tốc tức thời tại t = 3 giây là m/s.
- 3Thông hiểu
Một vật có s(t) = t² (mét, giây). Vận tốc trung bình trong khoảng từ t = 1 đến t = 3 là
- 4Vận dụng Một vật ném lên có s(t) = 20t − 5t² (mét, giây). Vận tốc tức thời tại t = 2 giây là m/s.
- 5Vận dụng Một vật có s(t) = t² + 2t. Vận tốc tức thời bằng 12 m/s tại t = giây.
🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp
Đề Toán có 3 phần: 12 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của chủ đề này.
Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn
- 1Thông hiểu
Cho hàm số f(x) = x² − 2x. Đạo hàm của f tại x₀ = 3 bằng
- 2Vận dụng
Tiếp tuyến của đồ thị y = 1/x tại điểm có hoành độ 2 có phương trình
- 3Vận dụng
Một vật chuyển động có s(t) = 2t² + t (mét, giây). Vận tốc tức thời tại t = 3 giây là
Phần II · Đúng / sai
- 1Thông hiểu
Cho hàm số f(x) = x³ và điểm M(1; 1) thuộc đồ thị.
a)Với h ≠ 0, (f(1 + h) − f(1))/h = 3 + 3h + h².
b)f′(1) = 3.
c)Tiếp tuyến của đồ thị tại M có phương trình y = 3x − 3.
d)Tiếp tuyến tại M không có điểm chung nào khác với đồ thị.
- 2Vận dụng
Cho hàm số f(x) = |x − 1|.
a)Hàm số liên tục tại x = 1.
b)Với h > 0, (f(1 + h) − f(1))/h = 1.
c)Với h < 0, (f(1 + h) − f(1))/h = 1.
d)Hàm số có đạo hàm tại x = 1.
Phần III · Trả lời ngắn
- 1Thông hiểu Tiếp tuyến của đồ thị y = x² + x tại điểm có hoành độ 1 cắt trục tung tại điểm có tung độ bao nhiêu? Đáp số:
- 2Vận dụng Một vật có s(t) = 4t² − t (mét, giây). Vận tốc tức thời tại t = 2 giây là bao nhiêu m/s? Đáp số:
- 3Vận dụng Tiếp tuyến của đồ thị y = x² − 4x tại điểm hoành độ x₀ có hệ số góc bằng 2. Tìm x₀. Đáp số:
🎯 Chủ đề này vào đề tốt nghiệp ở đâu?
- •Đây là nền của lớp 12 (khảo sát hàm số): dấu của f′ cho biết hàm đồng biến hay nghịch biến, f′ đổi dấu thì có cực trị, và tiếp tuyến dùng ở bài toán hệ số góc.
- •Bài kiểm tra trên lớp hay có câu tính đạo hàm bằng định nghĩa (lập tỉ số, rút gọn, cho h → 0) và viết phương trình tiếp tuyến tại điểm cho trước.
- •Hay có câu về vận tốc tức thời, và câu phân biệt vận tốc trung bình với tức thời; có thể có câu xét đạo hàm của hàm từng khúc tại điểm đổi công thức (nhớ xét cả hai phía).
Các quy tắc tính đạo hàm