📌 Đề bài:
Từ một tấm tôn hình chữ nhật có bề rộng $30\text{ cm}$, người thợ muốn làm một máng dẫn nước có khả năng thoát nước tốt nhất bằng cách gập hai mép tấm tôn lên một góc $\theta$ ($0^\circ < \theta < 90^\circ$) so với phương ngang, tạo thành một hình thang cân có đáy dưới bằng $10\text{ cm}$ và hai cạnh bên đều dài $10\text{ cm}$. Tìm góc gập $\theta$ để diện tích mặt cắt ngang của máng xối đạt giá trị lớn nhất và tính diện tích lớn nhất đó.
📚 Phương pháp giải & Lý thuyết trọng tâm
Để giải quyết các bài toán tối ưu hình học trong thực tế, ta mô hình hóa các đại lượng hình học theo biến góc $\theta$ thông qua hệ thức lượng trong tam giác vuông và các công thức lượng giác:
- Công thức diện tích hình thang cân: $S = \frac{(a + b) \cdot h}{2}$, trong đó $a, b$ là độ dài hai đáy và $h$ là chiều cao.
- Hệ thức lượng trong tam giác vuông: $h = l \cdot \sin \theta$, hình chiếu đoạn nghiêng lên đáy là $d = l \cdot \cos \theta$.
- Công thức nhân đôi: $\sin 2\theta = 2\sin \theta \cos \theta$ và $\cos 2\theta = 2\cos^2 \theta – 1$.
- Công thức biến đổi tổng thành tích: $\cos \theta + \cos 2\theta = 2\cos \frac{3\theta}{2} \cos \frac{\theta}{2}$.
- Tương tự như ứng dụng công thức lượng giác tìm cực trị góc nhìn hay các bài toán thực tế về dao động và hàm số lượng giác, việc tìm cực trị của hàm số lượng giác giúp tìm ra giải pháp tối ưu cho công trình kĩ thuật.
💡 LỜI GIẢI CHI TIẾT & CÁCH GIẢI TỪNG BƯỚC (Nhấn để mở)
Bước 1: Thiết lập mô hình toán học
Gọi mặt cắt ngang của máng nước là hình thang cân $ABCD$ với đáy nhỏ $AB = 10\text{ cm}$, hai cạnh bên $AD = BC = 10\text{ cm}$, và góc hợp bởi cạnh bên với phương ngang là $\theta$ ($0^\circ < \theta < 90^\circ$).
Kẻ đường cao $AH \perp CD$ và $BK \perp CD$ ($H, K \in CD$).
Trong tam giác vuông $ADH$ vuông tại $H$:
$$h = AH = AD \cdot \sin \theta = 10\sin \theta$$
$$DH = AD \cdot \cos \theta = 10\cos \theta$$
Do tính đối xứng của hình thang cân, ta có $CK = DH = 10\cos \theta$ và $HK = AB = 10\text{ cm}$.
Độ dài đáy lớn $CD$ là:
$$CD = DH + HK + KC = 10 + 20\cos \theta$$
Bước 2: Biểu diễn diện tích mặt cắt theo góc $\theta$
Diện tích mặt cắt ngang $S$ của hình thang $ABCD$ là:
$$S(\theta) = \frac{(AB + CD) \cdot h}{2} = \frac{(10 + 10 + 20\cos \theta) \cdot 10\sin \theta}{2} = 100\sin \theta (1 + \cos \theta)$$
Sử dụng công thức nhân đôi $\sin \theta \cos \theta = \frac{1}{2}\sin 2\theta$, ta viết lại:
$$S(\theta) = 100\left(\sin \theta + \frac{1}{2}\sin 2\theta\right)$$
Bước 3: Tìm góc $\theta$ để diện tích lớn nhất
Cách 1: Sử dụng đạo hàm khảo sát hàm số lượng giác
Đạo hàm của $S(\theta)$ theo biến $\theta$:
$$S'(\theta) = 100(\cos \theta + \cos 2\theta) = 100(2\cos^2 \theta + \cos \theta – 1)$$
Cho $S'(\theta) = 0$:
$$2\cos^2 \theta + \cos \theta – 1 = 0 \iff (2\cos \theta – 1)(\cos \theta + 1) = 0$$
Vì $0^\circ < \theta < 90^\circ$ nên $\cos \theta > 0$, do đó $\cos \theta + 1 > 0$. Phương trình tương đương với:
$$\cos \theta = \frac{1}{2} \iff \theta = 60^\circ$$
Lập bảng biến thiên trên khoảng $(0^\circ; 90^\circ)$, ta thấy hàm số $S(\theta)$ đồng biến trên $(0^\circ; 60^\circ)$ và nghịch biến trên $(60^\circ; 90^\circ)$, do đó $S(\theta)$ đạt cực đại tại $\theta = 60^\circ$.
Cách 2: Đánh giá bằng bất đẳng thức lượng giác
Ta có $S^2 = 10000 \sin^2 \theta (1 + \cos \theta)^2 = 10000(1 – \cos \theta)(1 + \cos \theta)^3$.
Áp dụng bất đẳng thức Cauchy (AM-GM) cho 4 số dương $3(1 – \cos \theta)$, $(1 + \cos \theta)$, $(1 + \cos \theta)$, $(1 + \cos \theta)$:
$$3(1 – \cos \theta) \cdot (1 + \cos \theta)^3 \le \left[\frac{3(1 – \cos \theta) + 3(1 + \cos \theta)}{4}\right]^4 = \left(\frac{6}{4}\right)^4 = \frac{81}{16}$$
$$\Rightarrow (1 – \cos \theta)(1 + \cos \theta)^3 \le \frac{27}{16}$$
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi $3(1 – \cos \theta) = 1 + \cos \theta \iff 4\cos \theta = 2 \iff \cos \theta = \frac{1}{2} \iff \theta = 60^\circ$.
Bước 4: Tính diện tích cực đại
Thay $\theta = 60^\circ$ vào công thức tính diện tích:
$$S_{\max} = S(60^\circ) = 100 \sin 60^\circ (1 + \cos 60^\circ) = 100 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \cdot \left(1 + \frac{1}{2}\right) = 100 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \cdot \frac{3}{2} = 75\sqrt{3}\text{ cm}^2$$
👉 Kết luận / Đáp án: Chọn đáp án B ($\theta = 60^\circ$ và $S_{\max} = 75\sqrt{3}\text{ cm}^2$).
✍️ 5 Bài tập tương tự tự luyện (Có lời giải chi tiết)
Bài tập 1: Một thanh kim loại dài $60\text{ cm}$ được uốn thành máng dẫn nước có mặt cắt hình thang cân với đáy dưới và hai cạnh bên đều có chiều dài $20\text{ cm}$. Tìm diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của máng.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 1
Tương tự bài toán mẫu, diện tích mặt cắt là $S(\theta) = 400\sin \theta (1 + \cos \theta)$.
Diện tích đạt cực đại khi $\theta = 60^\circ$. Khi đó $S_{\max} = 400 \cdot \sin 60^\circ \cdot (1 + \cos 60^\circ) = 400 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \cdot \frac{3}{2} = 300\sqrt{3}\text{ cm}^2$.
Đáp số: $S_{\max} = 300\sqrt{3}\text{ cm}^2$ tại $\theta = 60^\circ$.
Bài tập 2: Tầm bay xa của một viên đạn pháo bắn đi với vận tốc ban đầu $v_0 = 500\text{ m/s}$ dưới góc bắn $\alpha$ so với mặt đất nằm ngang được cho bởi công thức $L = \frac{v_0^2 \sin 2\alpha}{g}$ (với $g = 9{,}8\text{ m/s}^2$). Góc bắn $\alpha$ bằng bao nhiêu để viên đạn bay xa nhất và tính tầm bay xa cực đại đó (làm tròn đến mét)?
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 2
Vì $\sin 2\alpha \le 1$, nên $L$ lớn nhất khi $\sin 2\alpha = 1 \iff 2\alpha = 90^\circ \iff \alpha = 45^\circ$.
Tầm bay xa cực đại: $L_{\max} = \frac{v_0^2}{g} = \frac{500^2}{9{,}8} \approx 25510\text{ m}$.
Đáp số: $\alpha = 45^\circ$ và $L_{\max} \approx 25510\text{ m}$.
Bài tập 3: Một tấm tôn hình chữ nhật rộng $24\text{ cm}$ được gấp đôi lại theo trục dọc tạo thành máng dẫn nước hình chữ V với góc mở ở đáy là $2\alpha$ ($0 < \alpha < \frac{\pi}{2}$). Tìm $\alpha$ để máng chứa được nhiều nước nhất (diện tích tam giác mặt cắt ngang lớn nhất).
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 3
Mỗi cạnh bên của máng có chiều dài $l = 12\text{ cm}$.
Mặt cắt ngang là tam giác cân có 2 cạnh $12\text{ cm}$ và góc giữa chúng là $2\alpha$.
Diện tích mặt cắt: $S = \frac{1}{2} \cdot 12 \cdot 12 \cdot \sin(2\alpha) = 72\sin(2\alpha)$.
$S$ lớn nhất khi $\sin 2\alpha = 1 \iff 2\alpha = 90^\circ \iff \alpha = 45^\circ$.
Đáp số: $\alpha = 45^\circ$ (góc mở đáy $2\alpha = 90^\circ$), diện tích cực đại $S_{\max} = 72\text{ cm}^2$.
Bài tập 4: Một khung cửa sổ dạng hình bán nguyệt kết hợp hình chữ nhật, có chu vi cố định là $P = 4\text{ m}$. Gọi bán kính nửa đường tròn phía trên là $r$. Hãy tính $r$ theo lượng giác hoặc giải tích để diện tích lấy sáng của cửa sổ là lớn nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 4
Chiều rộng cửa sổ là $2r$, chiều cao phần chữ nhật là $h$. Chu vi: $P = 2r + 2h + \pi r = (2 + \pi)r + 2h = 4 \Rightarrow h = 2 – \frac{\pi + 2}{2}r$.
Diện tích toàn phần: $S = 2rh + \frac{1}{2}\pi r^2 = 2r\left(2 – \frac{\pi + 2}{2}r\right) + \frac{\pi}{2}r^2 = 4r – \left(\frac{\pi}{2} + 2\right)r^2$.
Đây là tam thức bậc hai theo $r$, đạt cực đại tại $r = \frac{4}{2(\frac{\pi}{2} + 2)} = \frac{4}{\pi + 4}\text{ m} \approx 0{,}56\text{ m}$.
Đáp số: $r = \frac{4}{\pi + 4}\text{ m}$.
Bài tập 5: Một cầu thủ sút bóng từ điểm $M$ cách đường biên ngang chứa cầu môn đoạn $d = 12\text{ m}$. Khung thành rộng $a = 7{,}32\text{ m}$. Cầu thủ chạy song song với đường biên ngang. Hỏi cầu thủ cách chân đường vuông góc hạ từ cột dọc gần nhất một khoảng $x$ bằng bao nhiêu mét để góc sút vào cầu môn là lớn nhất?
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 5
Đặt góc nhìn tới 2 cột là $\beta$ và $\alpha$ với $\tan \beta = \frac{x + 7{,}32}{12}$ và $\tan \alpha = \frac{x}{12}$.
Góc sút $\gamma = \beta – \alpha$. Ta có $\tan \gamma = \frac{\tan \beta – \tan \alpha}{1 + \tan \beta \tan \alpha} = \frac{\frac{7{,}32}{12}}{1 + \frac{x(x + 7{,}32)}{144}} = \frac{7{,}32 \cdot 12}{144 + x^2 + 7{,}32x}$.
Góc $\gamma$ lớn nhất khi $\tan \gamma$ lớn nhất, tức mẫu số nhỏ nhất khi $x = 0$ (nếu xét vị trí đối diện cột dọc).
Nếu sút từ vị trí giữa 2 cột: $\tan \gamma = \tan(\alpha_1 + \alpha_2)$ đạt max khi $x$ nằm chính giữa khung thành.
Đáp số: Vị trí chính diện trung điểm cầu môn giúp góc nhìn đối xứng và tối ưu.

Để lại phản hồi