Một vườn ươm cây cảnh bán một cây sau 6 năm trồng và uốn tạo dáng. Tốc độ tăng trưởng trong suốt 6 năm được tính xấp xỉ bởi công thức \({h^\prime }(t) = 1,5t + 5\), trong đó \(h(t)({\rm{cm}})\) là chiều cao của cây khi kết thúc \(t\) (năm) (Nguồn: R. Larson and B. Edwards, Calculus 10e Cengage 2014). Cây con khi được trồng cao \(12\;{\rm{cm}}\).

a) Tìm công thức chỉ chiều cao của cây sau \(t\) năm.

b) Khi được bán, cây cao bao nhiêu centimét?

a) Hàm số h(t) là một nguyên hàm của hàm số \(v({\rm{t}})\).

Ta có: \(\int v (t)dt = \int {\left( { - 0,1{t^3} + {t^2}} \right)} dt =  - 0,1\int {{t^3}} dt + \int {{t^2}} dt =  - 0,025{t^4} + \frac{{{t^3}}}{3} + C\)

Suy ra \(h(t) =  - 0,025{t^4} + \frac{{{t^3}}}{3} + C\).

Vì cây cà chua khi trồng có chiều cao 5 cm nên \({\rm{h}}(0) = 5\), suy ra $-0,025·0^4 + \frac{0^3}{3} + C = 5$ suy ra \({\rm{C}} = 5\).

Vậy công thức xác định hàm số h(t) là: \(h(t) =  - 0,025{t^4} + \frac{{{t^3}}}{3} + 5(t \ge 0)\).

b) Xét hàm số \(h(t) =  - 0,025{t^4} + \frac{{{t^3}}}{3} + 5(t \ge 0)\).

Ta có \(h'(t) = v(t) =  - 0,1{t^3} + {t^2};h'(t) = 0\) khi \(t = 0\) (thỏa mãn) hoặc \({\rm{t}} = 10\) (thỏa mãn).

Bảng biến thiên của hàm số \(h(t)\) trên \([0; + \infty )\) như sau:

Từ bảng biến thiên ta thấy giai đoạn tăng trưởng của cây cà chua đó kéo dài 10 tuần.

c) Từ bảng biến thiên ở câu b, ta thấy chiều cao tối đa của cây cà chua đó là \(\frac{{265}}{3}\) cm .

d) Xét hàm tốc độ tăng chiều cao của cây cà chua: \(v(t) =  - 0,1{t^3} + {t^2}(t \ge 0)\).

Ta có \({v^{\prime }}({\rm{t}}) =  - 0,3{{\rm{t}}^2} + 2{\rm{t}};{\rm{v'}}\) (t) \( = 0\) khi \({\rm{t}} = 0\) (thỏa mãn) hoặc \({\rm{t}} = \frac{{20}}{3}\) (thỏa mãn).

Bảng biến thiên của hàm số \(v(t)\) trên \([0; + \infty )\) như sau:

Từ bảng biến thiên ta suy ra thời điểm cây cà chua đó phát triển nhanh nhất là $t = \frac{20}{3}$. Khi đó chiều cao của cây cà chua là:

$h\left(\frac{20}{3}\right) = -0,025·{\left(\frac{20}{3}\right)}^4 + \frac{{\left({\displaystyle \frac{20}{3}}\right)}^3}{3} + 5 = \frac{4405}{81} \left(cm\right).$

a) Ta có:

\(\begin{array}{l}\int {{h^\prime }} (t){\rm{d}}t = \int {\frac{1}{{216}}} \left( {5{t^2} - 120t + 480} \right){\rm{d}}t = \frac{1}{{216}}\int {\left( {5{t^2} - 120t + 480} \right)} {\rm{d}}t = \frac{5}{{216}}\int {{t^2}} \;{\rm{d}}t - \frac{{120}}{{216}}\int t \;{\rm{d}}t + \frac{{480}}{{216}}\int {\rm{d}} t\\ = \frac{5}{{648}}{t^3} - \frac{5}{{18}}{t^2} + \frac{{20}}{9}t + C\end{array}\)

Suy ra \(h(t) = \frac{5}{{648}}{t^3} - \frac{5}{{18}}{t^2} + \frac{{20}}{9}t + C\).

Tại thời điểm \(t = 0\), mực nước trong hồ chứa là \(6\;{\rm{m}}\) nên \(h(0) = 6\), suy ra \(C = 6\).

Vậy mực nước trong hồ chứa được cho bởi hàm số: \(h(t) = \frac{5}{{648}}{t^3} - \frac{5}{{18}}{t^2} + \frac{{20}}{9}t + 6(0 \le t \le 24)\)

b) Ta tìm \({\min _{[0;24]}}h(t)\) và \({\max _{[0;24]}}h(t)\).

- \({h^\prime }(t) = 0 \Leftrightarrow 5{t^2} - 120t + 480 = 0\)

\( \Leftrightarrow {t^2} - 24t + 96 = 0 \Leftrightarrow t = 12 - 4\sqrt 3 \) hoă̆c \(t = 12 + 4\sqrt 3 \).

- Bảng biến thiên:

Do đó, ta có: \({\min _{[0;24]}}h(t) = \min \{ h(0);h(12 + 4\sqrt 3 )\} = h(12 + 4\sqrt 3 ) \approx 0,9\);

\({\max _{[0;24]}}h(t) = \max \{ h(24);h(12 - 4\sqrt 3 )\} = h(12 - 4\sqrt 3 ) \approx 11,1\)

Vậy mực nước trong hồ chứa cao nhất khoảng \(11,1\;{\rm{m}}\) và thấp nhất khoảng \(0,9\;{\rm{m}}\).

c) Ta tìm \({\max _{[0;24]}}{h^\prime }(t)\).

- \({h^{\prime \prime }}(t) = \frac{1}{{216}}(10t - 120)\);

\({h^{\prime \prime }}(t) = 0{\rm{ khi }}t = 12.{\rm{ }}\)

- Bảng biến thiên của hàm số \({h^\prime }(t)\) :

Do đó, ta có: \({\max _{[0;24]}}{h^\prime }(t) = \max \left\{ {{h^\prime }(0);{h^\prime }(24)} \right\} = {h^\prime }(24) = \frac{{20}}{9}\).

Vậy mực nước trong hồ chứa thay đổi nhanh nhất khi \(t = 0\) và \(t = 24\). Tốc độ thay đổi của mực nước trong hồ chứa khi đó là \(\frac{{20}}{9}\;{\rm{m}}/{\rm{h}}\).