Xét hàm số $y = f\left( x \right)$ liên tục trên miền $D = \left[ {a,b} \right]$ có đồ thị là một đường cong $C$. Gọi $S$ là phần giới hạn bởi $C$ và các đường thẳng $x = a$, $x = b$. Người ta chứng minh được rằng độ dài đường cong $S$ bằng $\int\limits_a^b {\sqrt {1 + {{\left( {f'\left( x \right)} \right)}^2}} {\rm{d}}x} $. Theo kết quả trên, độ dài đường cong $S$ là phần đồ thị của hàm số $f\left( x \right) = \ln x$ bị giới hạn bởi các đường thẳng $x = 1$, $x = \sqrt 3 $ là $m - \sqrt m + \ln \dfrac{{1 + \sqrt m }}{{\sqrt n }}$ với $m$, $n \in \mathbb{Z}$ thì giá trị của ${m^2} - mn + {n^2}$ là bao nhiêu?
Trả lời bởi giáo viên
Ta có $f'\left( x \right) = \dfrac{1}{x}$.
Khi đó, độ dài đường cong $S$ là $l = \int\limits_1^{\sqrt 3 } {\sqrt {1 + \dfrac{1}{{{x^2}}}} {\rm{d}}x} = \int\limits_1^{\sqrt 3 } {\dfrac{{\sqrt {1 + {x^2}} }}{x}{\rm{d}}x} = \int\limits_1^{\sqrt 3 } {\dfrac{{\sqrt {1 + {x^2}} }}{{{x^2}}}x{\rm{d}}x} $.
Đặt $t = \sqrt {1 + {x^2}} $. Suy ra: ${t^2} = 1 + {x^2}$$ \Rightarrow t{\rm{d}}t = x{\rm{d}}x$.
Đổi cận: $x = 1 \Rightarrow t = \sqrt 2 $; $x = \sqrt 3 \Rightarrow t = 2.$
Suy ra: $l = \int\limits_{\sqrt 2 }^2 {\dfrac{{{t^2}}}{{{t^2} - 1}}{\rm{d}}t} = \int\limits_{\sqrt 2 }^2 {\left( {1 + \dfrac{1}{{\left( {t - 1} \right)\left( {t + 1} \right)}}} \right){\rm{d}}t} = \left. t \right|_{\sqrt 2 }^2 + \dfrac{1}{2}\left. {\ln \left| {\dfrac{{t - 1}}{{t + 1}}} \right|} \right|_{\sqrt 2 }^2$.
Suy ra: $l = 2 - \sqrt 2 + \dfrac{1}{2}\left( {\ln \dfrac{1}{3} - \ln \left( {3 - 2\sqrt 2 } \right)} \right) = 2 - \sqrt 2 + \dfrac{1}{2}\ln \dfrac{{3 + 2\sqrt 2 }}{3} = 2 - \sqrt 2 + \ln \dfrac{{1 + \sqrt 2 }}{{\sqrt 3 }}$
Mà $l = m - \sqrt m + \ln \dfrac{{1 + \sqrt m }}{{\sqrt n }}$ nên suy ra $\left\{ \begin{array}{l}m = 2\\n = 3\end{array} \right.$.
Vậy ${m^2} - mn + {n^2} = 7$.
Hướng dẫn giải:
- Tính \(f'\left( x \right)\) và thay vào biểu thức tính tích phân.
- Tính tích phân, đưa kết quả về dạng bài cho, từ đó tìm \(m,n\)