Bài 33: Đạo hàm cấp hai
Lý thuyết chi tiết và bài tập có lời giải Bài 33: Đạo hàm cấp hai — SGK Toán 11 Kết nối tri thức.
I. Định nghĩa đạo hàm cấp hai
Cho hàm số $y = f(x)$ có đạo hàm $f'(x)$. Đạo hàm của đạo hàm $f'(x)$ được gọi là đạo hàm cấp hai của hàm số $y = f(x)$, kí hiệu là $f''(x)$ hoặc $y''$.
$$f''(x) = (f'(x))'$$Tổng quát, đạo hàm cấp $n$ ($n \in \mathbb{N}^*, n \ge 2$) là đạo hàm của đạo hàm cấp $n-1$:
$$f^{(n)}(x) = (f^{(n-1)}(x))'$$II. Ý nghĩa vật lí của đạo hàm cấp hai
Cho một chuyển động thẳng xác định bởi phương trình $s = s(t)$.
• Vận tốc tức thời tại thời điểm $t$ là $v(t) = s'(t)$.
• Gia tốc tức thời $a(t)$ tại thời điểm $t$ là đạo hàm cấp hai của phương trình quãng đường $s(t)$ (hay đạo hàm cấp 1 của vận tốc $v(t)$):
$$a(t) = v'(t) = s''(t)$$🔷 Dạng 1: Đạo hàm cấp hai đa thức & phân thức
- Tính đạo hàm cấp một $y' = f'(x)$.
- Lấy đạo hàm thêm một lần nữa $y'' = (y')'$.
Tính đạo hàm cấp hai của hàm số $y = 2x^4 - 5x^3 + 3x^2 - 1$.
Xem lời giải
• $y' = 8x^3 - 15x^2 + 6x$.
• $y'' = (8x^3 - 15x^2 + 6x)' = 24x^2 - 30x + 6$.
Tính đạo hàm cấp hai của hàm số $y = \dfrac{1}{x}$.
Xem lời giải
• $y' = -\dfrac{1}{x^2} = -x^{-2}$.
• $y'' = -(-2) x^{-3} = \dfrac{2}{x^3}$.
📝 Thực hành — Dạng 1
Tính đạo hàm cấp hai của $y = x^5 - 3x^2 + 7$.
Xem lời giải
$y' = 5x^4 - 6x \Rightarrow y'' = 20x^3 - 6$.
Tính đạo hàm cấp hai của $y = \dfrac{2x + 1}{x - 1}$.
Xem lời giải
$y' = \dfrac{-3}{(x-1)^2} = -3(x-1)^{-2} \Rightarrow y'' = 6(x-1)^{-3} = \dfrac{6}{(x-1)^3}$.
🔷 Dạng 2: Đạo hàm cấp hai hàm lượng giác
Áp dụng quy tắc đạo hàm lượng giác lần lượt cho $y'$ và $y''$. Chú ý dấu và các quy tắc biến đổi lượng giác.
Tính đạo hàm cấp hai của $y = \sin(2x)$.
Xem lời giải
• $y' = 2 \cos(2x)$.
• $y'' = 2 (-2\sin(2x)) = -4 \sin(2x)$.
Tính đạo hàm cấp hai của $y = \cos^2 x$.
Xem lời giải
• $y' = 2 \cos x (-\sin x) = -\sin(2x)$.
• $y'' = -2 \cos(2x)$.
📝 Thực hành — Dạng 2
Tính đạo hàm cấp hai của $y = \cos(3x)$.
Xem lời giải
$y' = -3\sin(3x) \Rightarrow y'' = -9\cos(3x)$.
Tính đạo hàm cấp hai của $y = \sin x + \cos x$.
Xem lời giải
$y' = \cos x - \sin x \Rightarrow y'' = -\sin x - \cos x = -y$.
🔷 Dạng 3: Tính gia tốc tức thời $a(t) = s''(t)$
- Tính vận tốc $v(t) = s'(t)$.
- Tính gia tốc $a(t) = v'(t) = s''(t)$.
- Thay $t_0$ vào $a(t)$ để tìm gia tốc tại thời điểm $t_0$.
Một vật chuyển động theo phương trình $s(t) = t^3 - 6t^2 + 15t + 2$ (m). Tính gia tốc của vật tại thời điểm $t = 4$ s.
Xem lời giải
• $v(t) = s'(t) = 3t^2 - 12t + 15$.
• $a(t) = s''(t) = 6t - 12$.
• Gia tốc tại $t = 4$ s: $a(4) = 6(4) - 12 = 12 \text{ m/s}^2$.
Ở Ví dụ 1, gia tốc của vật bằng $0$ tại thời điểm nào?
Xem lời giải
$a(t) = 6t - 12 = 0 \Leftrightarrow t = 2$ s.
📝 Thực hành — Dạng 3
Một vật dao động điều hòa $s(t) = 4 \cos(2\pi t + \pi/3)$. Tính gia tốc tại thời điểm $t = 0.5$ s.
Xem lời giải
$a(t) = -16\pi^2 \cos(2\pi t + \pi/3) \Rightarrow a(0.5) = -16\pi^2 \cos(4\pi/3) = 8\pi^2$.
Cho $s(t) = 2t^3 - 9t^2 + 12t$. Tính gia tốc của vật khi vận tốc bằng 0.
Xem lời giải
$v(t) = 6t^2 - 18t + 12 = 0 \Leftrightarrow t = 1$ hoặc $t = 2$. $a(t) = 12t - 18$. TH1 ($t=1$): $a = -6$. TH2 ($t=2$): $a = 6$.
🔷 Dạng 4: Chứng minh đẳng thức chứa $y''$
- Tính $y'$ và $y''$.
- Thay $y, y', y''$ vào vế trái của đẳng thức và biến đổi rút gọn về vế phải.
Cho hàm số $y = \sin x$. Chứng minh rằng $y'' + y = 0$.
Xem lời giải
• $y' = \cos x$.
• $y'' = -\sin x = -y$.
• Suy ra $y'' + y = -y + y = 0$ (đpcm).
Cho hàm số $y = \sqrt{2x - x^2}$. Chứng minh rằng $y^3 y'' + 1 = 0$.
Xem lời giải
• $y' = \dfrac{1-x}{\sqrt{2x-x^2}} = \dfrac{1-x}{y}$.
• $y'' = \dfrac{-y - (1-x)y'}{y^2} = \dfrac{-y - \dfrac{(1-x)^2}{y}}{y^2} = \dfrac{-y^2 - (1-2x+x^2)}{y^3} = \dfrac{-(2x-x^2) - 1 + 2x - x^2}{y^3} = -\dfrac{1}{y^3}$.
• Suy ra $y^3 y'' = -1 \Rightarrow y^3 y'' + 1 = 0$ (đpcm).
📝 Thực hành — Dạng 4
Cho $y = \cos x$. Chứng minh $y'' + y = 0$.
Xem lời giải
$y' = -\sin x \Rightarrow y'' = -\cos x = -y \Rightarrow y'' + y = 0$.
Cho $y = x^3 - 3x$. Chứng minh $y'' - 6x = 0$.
Xem lời giải
$y' = 3x^2 - 3 \Rightarrow y'' = 6x \Rightarrow y'' - 6x = 0$.
📝 Bài tập tự luận — Tổng hợp
Bài 1. Định nghĩa đạo hàm cấp hai.
Xem lời giải
$f''(x) = (f'(x))'$.
Bài 2. Nêu ý nghĩa vật lí của đạo hàm cấp hai.
Xem lời giải
$a(t) = s''(t)$ (gia tốc tức thời).
Bài 3. Tính đạo hàm cấp hai của $y = 3x^3 - 2x^2 + 5x$.
Xem lời giải
$y' = 9x^2 - 4x + 5 \Rightarrow y'' = 18x - 4$.
Bài 4. Tính đạo hàm cấp hai của $y = \sin(3x)$.
Xem lời giải
$y' = 3\cos(3x) \Rightarrow y'' = -9\sin(3x)$.
Bài 5. Cho $s(t) = t^3 - 3t$. Tính gia tốc tại $t = 2$.
Xem lời giải
$v(t) = 3t^2 - 3 \Rightarrow a(t) = 6t \Rightarrow a(2) = 12$.
Bài 6. Tính đạo hàm cấp hai của $y = (2x - 1)^4$.
Xem lời giải
$y' = 8(2x-1)^3 \Rightarrow y'' = 48(2x-1)^2$.
Bài 7. Tính đạo hàm cấp ba $y'''$ của $y = x^4$.
Xem lời giải
$y' = 4x^3, y'' = 12x^2 \Rightarrow y''' = 24x$.
Bài 8. Cho $y = \tan x$. Tính $y''$.
Xem lời giải
$y' = 1 + \tan^2 x \Rightarrow y'' = 2\tan x (1 + \tan^2 x) = \dfrac{2\sin x}{\cos^3 x}$.
Bài 9. Giải phương trình $y'' = 0$ với $y = x^3 - 6x^2$.
Xem lời giải
$y' = 3x^2 - 12x \Rightarrow y'' = 6x - 12 = 0 \Leftrightarrow x = 2$.
Bài 10. Nếu $y = \cos(2x)$ thì $y'' + 4y$ bằng bao nhiêu?
Xem lời giải
$y'' = -4\cos(2x) = -4y \Rightarrow y'' + 4y = 0$.
🎯 Bài tập trắc nghiệm tự luyện
Làm các câu hỏi sau để củng cố toàn bộ kiến thức về Đạo hàm cấp hai. Hệ thống sẽ hiển thị kết quả và lời giải chi tiết ngay khi bạn trả lời.
Ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm Đạo hàm cấp hai
Hàng trăm câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra và tự đánh giá năng lực ngay!
🚀 Làm bài trắc nghiệm →