Giải Bài 4.13 trang 19 SGK Toán 12
Đề bài
Giả sử vận tốc $v$ của dòng máu ở khoảng cách $r$ từ tâm của động mạch bán kính $R$ không đổi, có thể được mô hình hoá bởi công thức
$$v = k(R^2 - r^2),$$
trong đó $k$ là một hằng số. Tìm vận tốc trung bình (đối với $r$) của động mạch trong khoảng $0 \le r \le R$. So sánh vận tốc trung bình với vận tốc lớn nhất.
Lời giải
Thiết lập vận tốc trung bình.
Vận tốc trung bình của dòng máu đối với biến $r$ trên đoạn $0 \le r \le R$ được tính bằng công thức giá trị trung bình của hàm số qua tích phân:
$$\bar{v} = \frac{1}{R-0}\int_0^R v\,dr = \frac{1}{R}\int_0^R k(R^2 - r^2)\,dr.$$
Tính tích phân.
$$\int_0^R k(R^2 - r^2)\,dr = k\left[R^2 r - \frac{r^3}{3}\right]_0^R = k\left(R^3 - \frac{R^3}{3}\right) = k\cdot \frac{2R^3}{3} = \frac{2kR^3}{3}.$$
Do đó
$$\bar{v} = \frac{1}{R}\cdot \frac{2kR^3}{3} = \frac{2}{3}kR^2.$$
So sánh với vận tốc lớn nhất.
Vì $v = k(R^2 - r^2)$ với $k>0$ và $0 \le r \le R$, hàm số đạt giá trị lớn nhất khi $r = 0$ (tại tâm động mạch), tức là
$$v_{\max} = k(R^2 - 0) = kR^2.$$
So sánh:
$$\frac{\bar{v}}{v_{\max}} = \frac{\tfrac{2}{3}kR^2}{kR^2} = \frac{2}{3}.$$
Vậy vận tốc trung bình bằng $\dfrac{2}{3}$ vận tốc lớn nhất.
Kiểm tra: tại $r=0$ thì $v=kR^2$ (lớn nhất), tại $r=R$ thì $v=0$ (nhỏ nhất); giá trị trung bình $\tfrac{2}{3}kR^2$ nằm giữa $0$ và $kR^2$, hợp lí.
Đáp số
Lời giải do Thư viện nhà trường biên soạn, giải và kiểm chéo độc lập theo SGK 2026-2027.
