Logo Header
  1. Môn Toán
  2. hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Nội dung hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Bài viết hướng dẫn phương pháp tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối, đây là dạng toán thường gặp trong chương trình Giải tích 12 chương 3.

1. Phương pháp tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Muốn tính tích phân \(I = \int_a^b | f(x)|dx\), ta thức hiện theo các bước sau:

+ Xét dấu hàm \(f(x)\) trên đoạn \([a;b]\) để mở dấu giá trị tuyệt đối.

+ Áp dụng công thức: \(\int_a^b | f(x)|dx\) \( = \int_a^c | f(x)|dx + \int_c^b | f(x)|dx.\)

2. Một số ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Tính tích phân: \(I = \int_{ – 3}^3 {\left| {{x^2} – 1} \right|} dx.\)

Ta có: \(I = \int_{ – 3}^3 {\left| {{x^2} – 1} \right|} dx\) \( = \int_{ – 3}^{ – 1} {\left( {{x^2} – 1} \right)} dx\) \( + \int_{ – 1}^1 {\left( { – {x^2} + 1} \right)} dx\) \( + \int_1^3 {\left( {{x^2} – 1} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – x} \right)} \right|_{ – 3}^{ – 1}\) \( + \left. {\left( { – \frac{{{x^3}}}{3} + x} \right)} \right|_{ – 1}^1\) \( + \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – x} \right)} \right|_1^3\) \( = – \frac{1}{3} + 1 + 9 – 3 – \frac{1}{3} + 1\) \( – \frac{1}{3} + 1 + 9 – 3 – \frac{1}{3} + 1\) \( = \frac{{44}}{3}.\)

Vậy \(I = \int_{ – 3}^3 {\left| {{x^2} – 1} \right|} dx = \frac{{44}}{3}.\)

Ví dụ 2: Tính tích phân: \(I = \int_0^2 {\left| {{x^2} – 4x + 3} \right|} dx.\)

Ta có bảng xét dấu:

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Nên \(I = \int_0^2 {\left| {{x^2} – 4x + 3} \right|} dx\) \( = \int_0^1 {\left( {{x^2} – 4x + 3} \right)} dx\) \( + \int_1^2 {\left( { – {x^2} + 4x – 3} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – 2{x^2} + 3x} \right)} \right|_0^1\) \( + \left. {\left( { – \frac{{{x^3}}}{3} + 2{x^2} – 3x} \right)} \right|_1^2 = 2.\)

Vậy \(I = \int_0^2 {\left| {{x^2} – 4x + 3} \right|} dx = 2.\)

Ví dụ 3: Tính tích phân: \({I_{(m)}} = \int_0^1 {\left| {{x^2} – 2x + m} \right|} dx.\)

Đặt \(f(x) = {x^2} – 2x + m\) có \(\Delta’ = 1 – m.\)

+ Khi \(m \ge 1\) \( \Leftrightarrow \Delta’ = 1 – m \le 0\) \( \Rightarrow f(x) \ge 0\) \(\forall x \in R.\)

Do đó \({I_{(m)}} = \int_0^1 {\left| {{x^2} – 2x + m} \right|} dx\) \( = \int_0^1 {\left( {{x^2} – 2x + m} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – {x^2} + mx} \right)} \right|_0^1\) \( = m – \frac{2}{3}.\)

+ Khi \(0 < m < 1\) thì \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}

{\Delta’ = 1 – m /> 0}\\

{f(0) = m /> 0}\\

{f(1) = m – 1 < 0}

\end{array}} \right.\)

Phương trình \(f(x) = m\) có hai nghiệm \({x_1} < {x_2}.\)

Do đó ta có \(0 < {x_1} < 1 < {x_2}\) với \({x_1},{x_2} = 1 \pm \sqrt {1 – m} .\)

Hay ta có:

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Nên: \({I_{(m)}} = \int_0^1 {\left| {{x^2} – 2x + m} \right|} dx\) \( = \int_0^{{x_1}} {\left( {{x^2} – 2x + m} \right)} dx\) \( + \int_{{x_1}}^1 {\left( { – {x^2} + 2x – m} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – {x^2} + mx} \right)} \right|_0^{{x_1}}\) \( + \left. {\left( { – \frac{{{x^3}}}{3} + {x^2} – mx} \right)} \right|_{{x_1}}^1\) \( = 2\left[ {\frac{{x_1^3}}{3} – x_1^2 + m{x_1}} \right] + \frac{2}{3} – m.\)

Thế \({x_1} = 1 – \sqrt {1 – m} \) vào ta có:

\({I_m} = \frac{2}{3}(1 – \sqrt {1 – m} )\)\(\left[ {{{(1 – \sqrt {1 – m} )}^2} – 3(1 – \sqrt {1 – m} ) + 3m} \right]\) \( + \frac{2}{3} – m\) \( = \frac{2}{3}(1 – \sqrt {1 – m} )(2m – 1 + \sqrt {1 – m} )\) \( + \frac{2}{3} – m.\)

+ Khi \(m \le 0\) thì \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}

{f(0) = m \le 0}\\

{f(1) = m – 1 \le 0}

\end{array}} \right.\)

Do đó ta có \({x_1} \le 0 < 1 < {x_2}\) \( \Rightarrow f(x) < 0\) \(\forall x \in [0;1].\)

Nên \({I_m} = \int_0^1 {\left( { – {x^2} + 2x – m} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{ – {x^3}}}{3} + {x^2} – mx} \right)} \right|_0^1\) \( = \frac{2}{3} – m.\)

Ví dụ 4: Tính tích phân: \(I = \int_0^2 {\left| {{x^2} – x} \right|} dx.\)

Ta có:

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Do đó: \(I = \int_0^2 {\left| {{x^2} – x} \right|} dx\) \( = \int_0^1 {\left( { – {x^2} + x} \right)} dx\) \( + \int_1^2 {\left( {{x^2} – x} \right)} dx\) \( = \left. {\left( { – \frac{{{x^3}}}{3} + \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^1\) \( + \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – \frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_1^2 = 1.\)

Ví dụ 5: Tính tích phân: \(I(\alpha ) = \int_0^1 x |x – \alpha |dx.\)

+ Khi \(\alpha \le 0\) thì \(x – \alpha \ge 0\) \(\forall x \in [0;1].\)

Vậy \(I(\alpha ) = \int_0^1 x |x – \alpha |dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – \frac{{\alpha {x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^1\) \( = \frac{1}{3} – \frac{\alpha }{2}.\)

+ Khi \(0 < \alpha < 1\), ta có:

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Vậy \(I(\alpha ) = \int_0^\alpha x |x – \alpha |dx\) \( + \int_\alpha ^1 x |x – \alpha |dx\) \( = \int_0^\alpha {\left( { – {x^2} + \alpha x} \right)} dx\) \( + \int_\alpha ^1 {\left( {{x^2} – \alpha x} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{\alpha {x^2}}}{2} – \frac{{{x^3}}}{3}} \right)} \right|_0^\alpha \) \( + \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} – \frac{{\alpha {x^2}}}{2}} \right)} \right|_\alpha ^1\) \( = \frac{{{\alpha ^3}}}{3} – \frac{\alpha }{2} + \frac{1}{3}.\)

+ Khi \(\alpha \ge 1\) thì \(x – \alpha \le 0\) \(\forall x \in [0;1].\)

Vậy \(I(\alpha ) = \int_0^1 {\left( { – {x^2} + \alpha x} \right)} dx\) \( = \left. {\left( { – \frac{{{x^3}}}{3} + \frac{{\alpha {x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^1\) \( = \frac{\alpha }{2} – \frac{1}{3}.\)

Ví dụ 6: Cho \(f(x) = 3{x^3} – {x^2} – 4x + 1\) và \(g(x) = 2{x^3} + {x^2} – 3x – 1.\)

a) Giải bất phương trình \(f(x) \ge g(x).\)

b) Tính \(I = \int_{ – 1}^2 | f(x) – g(x)|dx.\)

a) Ta có: \(f(x) \ge g(x)\) \( \Leftrightarrow f(x) – g(x) \ge 0\) \( \Leftrightarrow {x^3} – 2x – x + 2 \ge 0\) \( \Leftrightarrow (x – 1)\left( {{x^2} – x – 2} \right) \ge 0\) \( \Leftrightarrow \left( {{x^2} – 1} \right)(x – 2) \ge 0\) \( \Leftrightarrow – 1 \le x \le 1\) hoặc \(x \ge 2.\)

b) Ta có: (dựa vào câu a, ta xác định được \(f(x) – g(x)\) âm, dương khi nào).

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Vậy \(I = \int_{ – 1}^2 | f(x) – g(x)|dx\) \( = \int_{ – 1}^1 | f(x) – g(x)|dx\) \( + \int_1^2 | f(x) – g(x)|dx\) \( = \int\limits_{ – 1}^1 {\left[ {f\left( x \right) – g\left( x \right)} \right]dx} \) \( – \int\limits_1^2 {\left[ {f\left( x \right) – g\left( x \right)} \right]dx} \) \( = \int_{ – 1}^1 {\left( {{x^3} – 2{x^2} – x + 2} \right)} dx\) \( – \int_1^2 {\left( {{x^3} – 2{x^2} – x + 2} \right)} dx\) \( = \left. {\left( {\frac{{{x^4}}}{4} – \frac{{2{x^2}}}{3} – \frac{{{x^2}}}{2} + 2x} \right)} \right|_{ – 1}^1\) \( – \left. {\left( {\frac{{{x^4}}}{4} – \frac{{2{x^2}}}{3} – \frac{{{x^2}}}{2} + 2x} \right)} \right|_1^2 = \frac{{37}}{{12}}.\)

Ví dụ 7: Tính tích phân: \(I = \int_{ – \pi }^\pi {\sqrt {1 – \sin x} } dx.\)

Ta có: \(I = \int_{ – \pi }^\pi {\sqrt {{{\left( {\sin \frac{x}{2} – \cos \frac{x}{2}} \right)}^2}} } dx\) \( = \int_{ – \pi }^\pi {\left| {\sin \frac{x}{2} – \cos \frac{x}{2}} \right|} dx\) \( = \sqrt 2 \int_{ – \pi }^\pi {\left| {\cos \left( {\frac{x}{2} + \frac{\pi }{4}} \right)} \right|} dx.\)

Đổi biến: đặt \(t = \frac{x}{2} + \frac{\pi }{4} \Rightarrow dt = \frac{{dx}}{2}.\)

Đổi cận: \(\left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{x = \pi }\\

{x = – \pi }

\end{array}} \right.\) \( \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{t = \frac{{3\pi }}{4}}\\

{t = – \frac{\pi }{4}}

\end{array}} \right.\)

Ta thấy: với \( – \frac{\pi }{4} \le t \le \frac{\pi }{2}\) thì \(\cos t \ge 0\), với \(\frac{\pi }{2} \le t \le \frac{{3\pi }}{4}\) thì \(\cos t < 0.\)

Suy ra: \(I = 2\sqrt 2 \int_{ – \frac{\pi }{4}}^{\frac{{3\pi }}{4}} | \cos t|dt\) \( = 2\sqrt 2 \int_{ – \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{2}} {\cos } tdt – 2\sqrt 2 \int_{\frac{\pi }{2}}^{\frac{{3\pi }}{4}} { \cos tdt } \) \( = 2\sqrt 2 \sin \left. t \right|_{ – \frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{2}} – 2\sqrt 2 \sin \left. t \right|_{\frac{\pi }{2}}^{\frac{{3\pi }}{4}} = 4\sqrt 2 .\)

Ví dụ 8: Tính tích phân: \(I = \int_{ – \frac{\pi }{2}}^{\frac{\pi }{2}} | \sin x|dx.\)

Ta có: \(I = \int_{ – \frac{\pi }{2}}^{\frac{\pi }{2}} | \sin x|dx\) \( = \int_{ – \frac{\pi }{2}}^0 {( – \sin x)} dx + \int_0^{\frac{\pi }{2}} {\sin } xdx\) \( = \cos \left. x \right|_{ – \frac{\pi }{2}}^0 + \left. {( – \cos x)} \right|_0^{\frac{\pi }{2}}\) \( = 1 + 1 = 2.\)

Ví dụ 9: Tính \(I = \int_{\frac{\pi }{4}}^{\frac{{3\pi }}{4}} | \sin 2x|dx.\)

Đặt \(t = 2x \Rightarrow dt = 2dx.\)

Đổi cận \(\left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{x = \frac{{3\pi }}{4}}\\

{x = \frac{\pi }{4}}

\end{array}} \right.\) \( \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{t = \frac{{3\pi }}{2}}\\

{t = \frac{\pi }{2}}

\end{array}} \right.\)

hướng dẫn tính tích phân hàm chứa giá trị tuyệt đối

Do đó: \(I = \frac{1}{2}\int_{\frac{\pi }{2}}^{\frac{{3\pi }}{2}} | \sin t|dt\) \( = \frac{1}{2}\int_{\frac{\pi }{2}}^\pi | \sin t|dt + \frac{1}{2}\int_\pi ^{\frac{{3\pi }}{2}} | \sin t|dt\) \( = \frac{1}{2}\int_{\frac{\pi }{2}}^\pi {\sin t} dt – \frac{1}{2}\int_\pi ^{\frac{{3\pi }}{2}} {\sin } tdt\) (vì \(\frac{\pi }{2} \le t \le \pi \) thì \(\sin t \ge 0\), \(\frac{\pi }{2} \le t \le \frac{{3\pi }}{2}\) thì \(\sin t \le 0\)).

\(I = – \frac{1}{2}\cos \left. t \right|_{\frac{\pi }{2}}^\pi + \frac{1}{2}\cos \left. t \right|_\pi ^{\frac{{3\pi }}{2}} = 1.\)

Ví dụ 10: Tính tích phân: \(I = \int_{\frac{\pi }{6}}^{\frac{\pi }{3}} {\sqrt {{{\tan }^2}x + {{\cot }^2}x – 2} } dx.\)

Ta có: \(\sqrt {{{\tan }^2}x + {{\cot }^2}x – 2} \) \( = \sqrt {{{(\tan x + \cot x)}^2}} \) \( = |\tan x – \cot x|\) \( = \left| {\frac{{\sin x}}{{\cos x}} – \frac{{\cos x}}{{\sin x}}} \right|\) \( = \left| {\frac{{{{\sin }^2}x – {{\cos }^2}x}}{{\sin x\cos x}}} \right|\) \( = \left| {\frac{{{{\cos }^2}x – {{\sin }^2}x}}{{\sin x\cos x}}} \right|\) \( = 2\left| {\frac{{\cos 2x}}{{\sin 2x}}} \right|.\)

Ta có: \(\frac{\pi }{6} \le x \le \frac{\pi }{3}\) \( \Rightarrow \frac{\pi }{3} \le 2x \le \frac{{2\pi }}{3}.\)

Do đó: \(\sin 2x \ge 0\), \(\left\{ \begin{array}{l}

\cos 2x \le 0\:{\rm{khi}}\:x \in \left[ {\frac{\pi }{4};\frac{\pi }{3}} \right]\\

\cos 2x \ge 0\:{\rm{khi}}\:x \in \left[ {\frac{\pi }{6};\frac{\pi }{4}} \right]

\end{array} \right.\)

Vậy \(I = \int_{\frac{\pi }{6}}^{\frac{\pi }{4}} 2 \left| {\frac{{\cos 2x}}{{\sin 2x}}} \right|dx\) \( + \int_{\frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{3}} 2 \left| {\frac{{\cos 2x}}{{\sin 2x}}} \right|dx\) \( = \int_{\frac{\pi }{6}}^{\frac{\pi }{4}} 2 \frac{{\cos 2x}}{{\sin 2x}}dx – \int_{\frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{3}} 2 \frac{{\cos 2x}}{{\sin 2x}}dx\) \( = \int_{\frac{\pi }{6}}^{\frac{\pi }{4}} 2 \frac{{d(\sin 2x)}}{{\sin 2x}} – \int_{\frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{3}} 2 \frac{{d(\sin 2x)}}{{\sin 2x}}\) \( = \ln \left. {|\sin 2x|} \right|_{\frac{\pi }{6}}^{\frac{\pi }{4}} – \left. {\ln |\sin 2x|} \right|_{\frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{3}}\) \( = \left( {\ln 1 – \ln \frac{{\sqrt 3 }}{2}} \right) – \left( {\ln \frac{{\sqrt 3 }}{2} – \ln 1} \right)\) \( = – 2\ln \frac{{\sqrt 3 }}{2}.\)

Ví dụ 11: Tính tích phân: \(I = \int_0^\pi {\sqrt {1 + \cos 2x} } dx.\)

Ta có: \(I = \int_0^\pi {\sqrt {1 + \cos 2x} } dx\) \( = \int_0^\pi {\sqrt {2{{\cos }^2}x} } dx\) \( = \int_0^\pi {\sqrt 2 } |\cos x|dx\) \( = \sqrt 2 \int_0^{\frac{\pi }{2}} {\cos } xdx – \sqrt 2 \int_{\frac{\pi }{2}}^\pi {\cos } xdx\) \( = \sqrt 2 \sin \left. x \right|_0^{\frac{\pi }{2}} – \sqrt 2 \sin \left. x \right|_{\frac{\pi }{2}}^\pi \) \( = 2\sqrt 2 .\)

Ví dụ 12: Tính tích phân: \(I = \int_0^\pi | \cos x|\sqrt {\sin x} dx.\)

Ta có: \(I = \int_0^\pi | \cos x|\sqrt {\sin x} dx\) \( + \int_{\frac{\pi }{2}}^\pi | \cos x|\sqrt {\sin x} dx\) \( = \int_0^{\frac{\pi }{2}} {\cos } x.{(\sin x)^{\frac{1}{2}}}dx\) \( – \int_{\frac{\pi }{2}}^\pi {\cos } x.{(\sin x)^{\frac{1}{2}}}dx\) \( = \int_0^{\frac{\pi }{2}} {{{(\sin x)}^{\frac{1}{2}}}} d(\sin x)\) \( – \int_{\frac{\pi }{2}}^\pi {{{(\sin x)}^{\frac{1}{2}}}} d(\sin x)\) \( = \frac{2}{3}\left. {{{(\sin x)}^{\frac{3}{2}}}} \right|_0^{\frac{\pi }{2}} – \frac{2}{3}\left. {{{(\sin x)}^{\frac{3}{2}}}} \right|_{\frac{\pi }{2}}^\pi \) \( = \frac{2}{3} + \frac{2}{3} = \frac{4}{3}.\)

Ví dụ 13: Tính tích phân: \(I = \int_{ – 1}^1 {\frac{{|x|dx}}{{{x^4} – {x^2} – 12}}} .\)

Vì hàm số \(f(x) = \frac{{|x|}}{{{x^4} – {x^2} – 12}}\) là hàm số chẵn, liên tục trong \([ – 1;1].\)

Suy ra: \(I = \int_{ – 1}^1 {\frac{{|x|dx}}{{{x^4} – {x^2} – 12}}} \) \( = 2\int_0^1 {\frac{{|x|dx}}{{{x^4} – {x^2} – 12}}} \) \( = 2\int_0^1 {\frac{{xdx}}{{{x^4} – {x^2} – 12}}} .\)

Đặt \(t = {x^2} \Rightarrow dt = 2xdx.\)

Đổi cận \(\left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{x = 1}\\

{x = 0}

\end{array}} \right.\) \( \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}

{t = 1}\\

{t = 0}

\end{array}} \right.\)

Vậy \(I = \int_0^1 {\frac{{dt}}{{{t^2} – t – 12}}} \) \( = \int_0^1 {\frac{{dt}}{{(t – 4)(t + 3)}}} \) \( = \frac{1}{7}\int_0^1 {\left( {\frac{1}{{t – 4}} – \frac{1}{{t + 3}}} \right)} dt\) \( = \frac{1}{7}\ln \left. {\left| {\frac{{t – 4}}{{t + 3}}} \right|} \right|_0^1\) \( = \frac{2}{7}\ln \frac{3}{4}.\)