Mục lục bài họcĐang ở d04-b3
← AP Calculus BC
0/40 bài đã học xong
Chương 4 · Unit 4 — Contextual Applications of Differentiation · Bài 3/4 của chương · bài 15/40 của AP Calculus BC

Linearization, Differentials, and Over- or Under-estimates

Xấp xỉ tuyến tính, vi phân, và chuyện thừa hay thiếu
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

The tangent line as a calculator

Near $x=a$ a differentiable function is well approximated by its tangent line:

$$L(x)=f(a)+f'(a)(x-a),\qquad f(x)\approx L(x)\ \text{ for } x \text{ near } a$$

Written with differentials, $dy=f'(x)\,dx$ estimates the change $\Delta y$ produced by a small change $dx$. This is the standard way AP asks about propagated measurement error: a measured radius with error $dr$ produces a volume error of about $\frac{dV}{dr}\,dr$.

Deciding whether the estimate is too big or too small

The sign of $f''$ settles it, and no other argument is accepted for full credit:

  • $f''>0$ on the interval (concave up): the tangent line lies below the curve, so $L(x)too small.
  • $f''<0$ (concave down): the tangent lies above, so the estimate is too large.

Choosing $a$ matters as much as the formula. It must be a point where $f(a)$ and $f'(a)$ are exactly computable, and it must be close to the target — the error of the approximation grows like $(x-a)^2$.

Giải thích tiếng Việt

Gần điểm $x=a$, một hàm khả vi gần như trùng với tiếp tuyến của nó:

$$L(x)=f(a)+f'(a)(x-a)$$

Viết theo vi phân thì $dy=f'(x)\,dx$ ước lượng độ biến thiên $\Delta y$ do một thay đổi nhỏ $dx$ gây ra. Đây chính là khuôn đề AP hỏi về sai số lan truyền: bán kính đo được có sai số $dr$ thì thể tích tính ra sai khoảng $\frac{dV}{dr}\,dr$.

Thừa hay thiếu — chỉ dấu của $f''$ mới trả lời được:

  • $f''>0$ (lõm lên): tiếp tuyến nằm dưới đồ thị, xấp xỉ cho giá trị nhỏ hơn giá trị thật, tức thiếu.
  • $f''<0$ (lõm xuống): tiếp tuyến nằm trên, xấp xỉ thừa.

Rubric AP không cho điểm câu “nhìn hình thấy thừa”; phải nối kết luận với dấu của đạo hàm cấp hai trên khoảng đang xét.

Chọn $a$ quan trọng ngang công thức: $a$ phải là chỗ tính được chính xác cả $f(a)$ lẫn $f'(a)$, và phải gần đích, vì sai số của xấp xỉ lớn lên theo $(x-a)^2$ — đi xa gấp đôi thì sai gấp bốn.

x a x f(x) thật L(x) — trên tiếp tuyến f ″ < 0 — đồ thị lõm xuống, tiếp tuyến nằm TRÊN Lõm xuống ⇒ xấp xỉ THỪA. Lõm lên ⇒ xấp xỉ THIẾU. Dấu của f ″ quyết định, không phải cảm giác.
Đọc kết luận từ hình. Đường cong đỏ lõm xuống, tiếp tuyến xanh vẽ tại $x=a$ nằm phía trên nó ở mọi nơi ngoài điểm tiếp xúc. Vì thế giá trị lấy trên tiếp tuyến, $L(x)$, luôn lớn hơn giá trị thật $f(x)$ — xấp xỉ thừa. Chú ý thêm hai chấm ở cột $x$ càng xa $a$ thì càng tách nhau: đó là hình ảnh của việc sai số tăng theo bình phương khoảng cách.
Ví dụ — xấp xỉ một luỹ thừa và kết luận thừa – thiếu

Dùng xấp xỉ tuyến tính tại một điểm thích hợp để ước lượng $\left(1{,}02\right)^{10}$, rồi cho biết ước lượng đó lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị thật.

Giải.

Chọn $f(x)=x^{10}$ và $a=1$, vì tại $a=1$ cả $f(1)=1$ lẫn $f'(1)=10$ đều tính nhẩm được, và $1{,}02$ rất gần $1$.

$$L(x)=1+10(x-1)\ \Longrightarrow\ L(1{,}02)=1+10(0{,}02)=1{,}2$$

Xét dấu đạo hàm cấp hai: $f''(x)=90x^{8}$, nên $f''>0$ trên lân cận của $1$. Đồ thị lõm lên, tiếp tuyến nằm dưới, do đó $1{,}2$ là ước lượng thiếu.

Người chọn $a=0$ sẽ nhận $L=0$ — hoàn toàn vô dụng — vì $0$ ở quá xa $1{,}02$ đối với một hàm dốc như $x^{10}$. Chọn $a$ là một phần của lời giải, không phải bước phụ.

Bẫy hay mất điểm — Bài chuyển động cũng dùng xấp xỉ tuyến tính, và ở đó $f''$ chính là gia tốc. Nhiều học viên trả lời “thừa hay thiếu” bằng câu “vì vật đang nhanh dần” — rubric cho $0$ điểm ý đó, vì nhanh dần nói về $|v|$ chứ không nói về dấu của $s''$. Cách chặn: viết thẳng một dòng dạng “$s''(t_0)=a(t_0)=-0{,}64<0$ nên $s$ lõm xuống, tiếp tuyến nằm trên, ước lượng thừa”.
Phải nhớ — $L(x)=f(a)+f'(a)(x-a)$; chọn $a$ gần và tính được. Lõm lên thì thiếu, lõm xuống thì thừa — và phải nêu dấu của $f''$ mới được điểm.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 4 — Contextual Applications of Differentiation gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →