Hình bên minh họa cho mặt cắt đứng của một con kênh đặt trong hệ trục tọa độ Oxy. Đáy của con kênh là một đường cong cho bởi phương trình \[y = f(x) = \frac{3}{{100}}\left( { - \frac{1}{3}{x^3} + 5{x^2}} \right)\]. Hãy tính diện tích hình phẳng tô màu xanh trong hình bên, biết đơn vị trên mỗi trục tọa độ là mét.

a) Giả sử parabol \(y = f(x)\) cho bời \(f(x) = a{x^2} + bx + c(a \ne 0)\). Do parabol \(y = f(x)\) đi qua điểm \(D(0;2)\) nên \(c = 2\), suy ra \(f(x) = a{x^2} + bx + 2(a \ne 0)\). Vì parabol \(y = f(x)\) đi qua các điểm \(C( - 4;0),E(4;0)\) nên ta có: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{16a - 4b + 2 = 0}\\{16a + 4b + 2 = 0.}\end{array}} \right.\)

Hệ phương trình trên có nghiệm là \(a =  - \frac{1}{8},b = 0\). Vậy \(f(x) =  - \frac{1}{8}{x^2} + 2\).

- Giả sử parabol \(y = g(x)\) cho bởi \(g(x) = {a_1}{x^2} + {b_1}x + {c_1}\left( {{a_1} \ne 0} \right)\). Do parabol \(y = g(x)\) đi qua điểm \(G(0; - 3)\) nên \({c_1} =  - 3\), suy ra \(g(x) = {a_1}{x^2} + {b_1}x - 3\left( {{a_1} \ne 0} \right)\). Vì parabol \(y = g(x)\) đi qua các điểm \(C( - 4;0),E(4;0)\) nên ta có: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{16{a_1} - 4{b_1} - 3 = 0}\\{16{a_1} + 4{b_1} - 3 = 0.}\end{array}} \right.\)

Hệ phương trình trên có nghiệm là \({a_1} = \frac{3}{{16}},{b_1} = 0\). Vậy \(g(x) = \frac{3}{{16}}{x^2} - 3\).

b) Diện tích của logo là: \(S = {S_1} + {S_2}\), trong đó \({S_1}\) là diện tích hình phẳng giới hạn bởi các parabol \(f(x) =  - \frac{1}{8}{x^2} + 2,g(x) = \frac{3}{{16}}{x^2} - 3\) và hai đường thẳng \(x =  - 5,x =  - 4\); \({S_2}\) là diện tích hình phẳng giới hạn bởi các parabol \(f(x) =  - \frac{1}{8}{x^2} + 2,g(x) = \frac{3}{{16}}{x^2} - 3\) và hai đường thẳng \(x =  - 4,x = 4\).

Do đó, ta có:

\(S = \int_{ - 5}^{ - 4} | f(x) - g(x)|{\rm{d}}x + \int_{ - 4}^4 | f(x) - g(x)|{\rm{d}}x\)

\( = \int_{ - 5}^{ - 4} {\left[ {\left( {\frac{3}{{16}}{x^2} - 3} \right) - \left( { - \frac{1}{8}{x^2} + 2} \right)} \right]} {\rm{d}}x + \int_{ - 4}^4 {\left[ {\left( { - \frac{1}{8}{x^2} + 2} \right) - \left( {\frac{3}{{16}}{x^2} - 3} \right)} \right]} {\rm{d}}x\)

\( = \int_{ - 5}^4 {\left( {\frac{5}{{16}}{x^2} - 5} \right)} {\rm{d}}x + \int_{ - 4}^4 {\left( { - \frac{5}{{16}}{x^2} + 5} \right)} {\rm{d}}x\)

\( = \left. {\frac{5}{{48}}{x^3}} \right|_{ - 5}^{ - 4} - \left. {5x} \right|_{ - 5}^{ - 4} - \left. {\frac{5}{{48}}{x^3}} \right|_{ - 4}^4 + \left. {5x} \right|_{ - 4}^4\)

\( = \frac{{305}}{{48}} - 5 - \frac{{640}}{{48}} + 40 = \frac{{1345}}{{48}}.\)

\(S = \frac{{1345}}{{48}}\left( {{\rm{d}}{{\rm{m}}^2}} \right).\)

c) Gọi \(t\) là lượng ánh sáng đi qua mỗi $\mathrm{dm}^2$ của logo. Suy ra lượng ánh sáng đi qua logo là \(\frac{{1345}}{{48}}t\). Mặt khác, diện tích của cửa sổ là \((8 + 1) \cdot (2 + 3) = 45\left( {{\rm{d}}{{\rm{m}}^2}} \right)\) và lượng ánh sáng đi qua mỗi \({\rm{d}}{{\rm{m}}^2}\) của phần cửa sổ nằm ngoài logo là 2t. Suy ra, lượng ánh sáng đi qua cửa sổ trược khi làm logo là \(45.2t = 90t\) và lượng ánh sáng đi qua phẩn cửa sổ nằm ngoài logo là: \(\left( {45 - \frac{{1345}}{{48}}} \right)2t = \frac{{815}}{{24}}t\)

Do đó, tổng lượng ánh sáng đi qua cửa sổ sau khi làm logo là: \(\frac{{1345}}{{48}}t + \frac{{815}}{{24}}t = \frac{{2975}}{{48}}t.\)

Tỉ số phần trăm của lượng ánh sáng đi qua cửa sổ sau khi làm logo so vởi lượng ánh sáng đi qua cửa sổ trược khi làm logo là:  \(\left( {\frac{{2975}}{{48}}t:90t} \right) \cdot 100\%  = \frac{{297500}}{{4320}}\%  \approx 68,9\% {\rm{. }}\)

Vậy lượng ánh sáng khi đi qua toàn bộ cửa sổ sau khi làm logo sẽ giảm đi xấp xỉ là: 100% - 68,9% = 31,1%