Что называется неопределенным интегралом. Первообразная и неопределенный интеграл, их свойства. Основные приемы интегрирования

Определение первообразной.

Первообразной функции f(x) на промежутке (a; b) называется такая функция F(x) , что выполняется равенство для любого х из заданного промежутка.

Если принять во внимание тот факт, что производная от константы С равна нулю, то справедливо равенство . Таким образом, функция f(x) имеет множество первообразных F(x)+C , для произвольной константы С , причем эти первообразные отличаются друг от друга на произвольную постоянную величину.

Определение неопределенного интеграла.

Все множество первообразных функции f(x) называется неопределенным интегралом этой функции и обозначается .

Выражение называют подынтегральным выражением , а f(x) – подынтегральной функцией . Подынтегральное выражение представляет собой дифференциал функции f(x) .

Действие нахождения неизвестной функции по заданному ее дифференциалу называется неопределенным интегрированием, потому что результатом интегрирования является не одна функция F(x) , а множество ее первообразных F(x)+C .

На основании свойств производной можно сформулировать и доказать свойства неопределенного интеграла (свойства первообразной).

Промежуточные равенства первого и второго свойств неопределенного интеграла приведены для пояснения.

Для доказательства третьего и четвертого свойств достаточно найти производные от правых частей равенств:

Эти производные равны подынтегральным функциям, что и является доказательством в силу первого свойства. Оно же используется в последних переходах.

Таким образом, задача интегрирования является обратной задаче дифференцирования, причем между этими задачами очень тесная связь:

• первое свойство позволяет проводить проверку интегрирования. Чтобы проверить правильность выполненного интегрирования достаточно вычислить производную полученного результата. Если полученная в результате дифференцирования функция окажется равной подынтегральной функции, то это будет означать, что интегрирование проведено верно;
• второе свойство неопределенного интеграла позволяет по известному дифференциалу функции найти ее первообразную. На этом свойстве основано непосредственное вычисление неопределенных интегралов.

Рассмотрим пример.

Пример.

Найти первообразную функции , значение которой равно единице при х = 1 .

Решение.

Мы знаем из дифференциального исчисления, что (достаточно заглянуть в таблицу производных основных элементарных функций). Таким образом, . По второму свойству . То есть, имеем множество первообразных . При х = 1 получим значение . По условию, это значение должно быть равно единице, следовательно, С = 1 . Искомая первообразная примет вид .

Пример.

Найти неопределенный интеграл и результат проверить дифференцированием.

Решение.

По формуле синуса двойного угла из тригонометрии , поэтому

Понятие неопределенного интеграла. дифференцирование -это действие, с помощью которого по данной функции находится ее производная или диф­ференциал. Например, если F(x) = х 10 , то F" (х) = 10х 9 , dF (х) =10x 9 dx.

Интегрирование - это действие, обратное дифференцированию. С помощью интегрирования по данной производной или дифференциалу функции находит­ся сама функция. Например, если F" (х) = 7х 6 , то F (х) == х 7 , так как (х 7)"=7х 6 .

Дифференцируемая функция F(x), хЄ]a; b[ называется первообразной для функции f (х) на интервале ]а; Ь[, если F" (х) = f (х) для каждого хЄ]a; b[.

Так, для функции f(x) = 1/cos 3 х первообразной служит функция F(x)= tg x, поскольку (tg x)"= 1/cos 2 х.

Совокупность всех первообразных функций f(x) на интервале ]а; b[ на­зывают неопределенным интегралом от функции f(x) на этом интервале и пишут f (x)dx = F(x) + С. Здесь f(x)dx - подынтегральное выражение;

F(х)-подынтегральная функция; х-переменная интегрирования: С - про­извольная постоянная.

Например, 5x 4 dx = х 5 + С, так как (х 3 + С)" = 5х 4 .

Приведем основные свойства неопределенного интеграла . 1.Дифференциал неопределенного интеграла равен подынтегральному выражению:

D f(x)dx=f(x)dx.

2.Неопределенный интеграл от дифференциала функции равен этой функ­ции, сложенной с произвольной постоянной, т. е.

3.Постоянный множитель можно выносить за знак неопределенного интеграла:

аf(х)dx = a f(x)dx

4. Неопределенный интеграл от алгебраической суммы функций равен алгебраической сумме неопределенных интегралов от каждой функции:

(f 1 (х) ±f 2 (х))dx = f 1 (х)dx ± f 2 (х)dx.

Основные формулы интегрирования

(табличные интегралы).

6.

Пример 1. Найти

Решение. Произведем подстановку 2 - Зх 2 = t тогда -6xdx =dt, xdx = -(1/6)dt. Далее, получаем

Пример 3. Найти

Решение. Положим 10х = t; тогда 10dx = dt, откуда dx=(1/10)dt.

3.

Так, при нахождении sinl0xdx можно использовать формулу sinkxdx = - (1/k) cos kx+C, где k=10.

Тогда sinl0xdx = -(1/10) сos10х+С.

Вопросы и упражнения для самопроверки

1. Какое действие называется интегрированием?

2. Какая функция называется первообразной для функции f(x)?

3. Дайте определение неопределенного интеграла.

4. Перечислите основные свойства неопределенного интеграла.

5. Каким действием можно проверить интегрирование?

6. Напишите основные формулы интегрирования (табличные интегралы).

7. Найдите интегралы: а) б) в)

где а-нижний предел, Ь-верхний предел, F (x)-какая-нибудь первообразная функции f (х).

Из этой формулы виден порядок вычисления определенного интеграл 1) находят одну из первообразных F (x) данной функции; 2) находят значение F (x) при х = а и х = Ь; 3) вычисляют разность F (Ь) - F (а).

Пример 1. Вычислить интеграл

Решение. Воспользуемся определением степени с дробным и отрицательным показателем и вычислим определенный интеграл:

2. Отрезок интегрирования можно разбивать на части:

3. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:

4. Интеграл от суммы функций равен сумме интегралов от всех слагаемых:

2) Определим пределы интегрирования для переменной t. При х=1 получаем t н =1 3 +2=3, при х=2 получаем t в =2 3 +2=10.

Пример 3. Вычислить интеграл

Решение. 1) положим cos х=t; тогда – sinxdx =dt и

sinxdx = -dt. 2) Определим пределы интегрирования для переменной t: t н =cos0=1:t в =cos (π/2)=0.

3) Выразив подынтегральное выражение через t и dt и перейдя к новым пределам, получим

Вычислим каждый интеграл отдельно:

Пример 5. Вычислить площадь фигуры, ограниченной параболой у = х 2 , прямыми х = - 1, х = 2 и осью абсцисс (рис.47).

Решение. Применяя формулу (1), получаем

т.е. S=3 кв. ед.

Площадь фигуры ABCD (рис. 48), ограниченной графиками непрерывных функций у =f 1 (x) и у f 2 = (x), где х Є[а, b], отрезками прямых х = а и х = Ь, вычисляется по формуле

		Объем тела, образованного вращением вокруг оси Оу криволинейной трапеции аАВЬ, ограниченной непрерывной кривой x=f(y), где у Є [а, b], отрезком [а, b] оси Оу, отрезками прямых у = а и у = Ь (рис. 53), вычисляется по формуле Путь, пройденный точкой . Если точка движется прямолинейно и ее скорость v=f(t) есть известная функция времени t, то путь пройден­ный точкой за промежуток времени , вычисляется по формуле Вопросы для самопроверки 1. Дайте определение определенного интеграла. 2. Перечислите основные свойства определенного интеграла. 3. В чем заключается геометрический смысл определенного интеграла? 4. Напишите формулы для определения площади плоской фигуры с по­мощью определенного интеграла. 5. По каким формулам находится объем тела вращения? 6. Напишите формулу для вычисления пути, пройденного телом. 7. Напишите формулу для вычисления работы переменной силы. 8. По какой формуле вычисляется сила давления жидкости на пластинку?

Функцию, восстанавливаемую по ее производной или дифференциалу, называют первообразной .

Определение. Функция F(x) называется первообразной для функции

f(x) на некотором промежутке, если в каждой точке этого промежутка

F"(x) = f(x)

или, что тоже,

dF(x) = f(x)dx

Например, F(x) = sin x является первообразной для f(x) = cos x на всей числовой оси O Х , так как

(sin x)" = cos x

Если функция F (x ) есть первообразная для функции f (x ) на [a ; b ], то функцияF (x ) + С , где C любое действительное число, также является первообразной для f (x ) при любом значении C . Действительно (F (x ) + C )" = F "(x ) + C " = f (x ).

Пример.

Определение. Если F(x) одна из первообразных для функции f(x) на [a ; b ], то выражение F(x) + С , где C произвольная постоянная, называется неопределенным интегралом от функции f (x) и обозначается символом ʃ f (x ) dx (читается: неопределенный интеграл от f(x) на dx ). Итак,

ʃ f (x ) dx = F (x ) + C ,

где f(x) называется подынтегральной функцией, f(x)dx ‒ подынтегральным выражением, x ‒ переменной интегрирования, а символ ʃ‒ знаком неопределенного интеграла.

Свойства неопределенного интеграла и его геометрические свойства.

Из определения неопределенного интеграла следует, что:

1. Производная неопределенного интеграла равна подынтегральной функции:

Действительно, F" (x ) = f (x ) и ʃ f (x ) dx = F (x ) + C . Тогда

2. Дифференциал от неопределенного интеграла равен подынтегральному выражению

Действительно,

3. Неопределенный интеграл от производной равен самой функции плюс произвольная постоянная:

Действительно, F" (x ) = f (x ). Тогда,

4. Неопределенный интеграл от дифференциала равен дифференцируемой функции плюс произвольная постоянная:

Действительно, . Тогда,

5. Постоянный множитель k (k ≠ 0) можно выносить за знак неопределенного интеграла:

6. Неопределенный интеграл от алгебраической суммы конечного числа функции равен алгебраической сумме интегралов от этих функций:

Назовем график первообразной F(x) интегральной кривой . График любой другой первообразной F(x) + C получается параллельным переносом интегральной кривой F(x) вдоль оси OY .

Пример.

Таблица основных интегралов

Основные приемы интегрирования

1. Непосредственное (табличное) интегрирование.

Непосредственное (табличное) интегрирование ‒ это приведение интеграла к табличному виду с помощью основных свойств и формул элементарной математики.

Пример 1.

Решение:

Пример 2 .

Решение:

Пример 3 .

Решение:

2. Метод подведения под дифференциал.

Пример 1.

Решение:

Пример 2 .

Решение:

Пример 3 .

Решение:

Пример 4 .

Решение:

Пример 5 .

Решение:

Пример 6 .

Решение:

Пример 7 .

Решение:

Пример 8 .

Решение:

Пример 9 .

Решение:

Пример 10 .

Решение:

3. Второй способ подведения под дифференциал.

Пример 1.

Решение:

Пример 2 .

Решение:

4. Методзамены переменной (подстановки).

Пример.

Решение:

5. Метод интегрирования по частям.

По этой формуле берутся следующие типы интегралов:

1 тип.

, формула применяется n ‒ раз, остальное dv .

2 тип.

, формула применяется один раз.

Пример 1 .

Решение:

Пример 2.

Решение:

Пример 3 .

Решение:

Пример 4 .

Решение:

ИНТЕГРИРОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДРОБЕЙ.

Рациональной дробью называется отношение двух многочленов ‒ степениm и ‒ степениn ,

Возможны следующие случаи:

1. Если , то применяют метод деления углом для исключения целой части.

2. Если и в знаменателе квадратный трехчлен, то применяют метод дополнения до полного квадрата.

Пример 1.

Решение:

Пример 2 .

Решение:

3. Метод неопределенных коэффициентов при разложении правильной рациональной дроби на сумму простейших дробей.

Любую правильную рациональную дробь , где, можно представить в виде суммы простейших дробей:

гдеA, B, C, D, E, F, M, N,… ‒ неопределенные коэффициенты.

Для нахождения неопределенных коэффициентов надо правую часть привести к общему знаменателю. Так как знаменатель совпадает со знаменателем дроби правой части, то их можно отбросить и прировнять числители. Затем, приравнивая коэффициенты при одинаковых степеняхx в левой и правой частях, получим систему линейных уравнений с n ‒ неизвестными. Решив эту систему, найдем искомые коэффициенты A , B , C , D и так далее. А, следовательно, разложим правильную рациональную дробь на простейшие дроби.

Рассмотрим на примерах возможные варианты:

1. Если множители знаменателя линейны и различны:

2. Еслисреди множителей знаменателя есть краткие множители:

3. Если среди множителей знаменателя есть квадратный трехчлен, неразложимый на множители:

Примеры: Разложить на сумму простейших рациональную дробь. Проинтегрировать.

Пример1.

Так как знаменатели дробей равны, то должны быть равны и числители, т. е.

Пример 2.

Пример 3 .

Занятие 2. Интегральное исчисление

Неопределенный интеграл и его геометрический смысл. Основные свойства неопределенного интеграла.

Основные методы интегрирования неопределенного интеграла.

Определенный интеграл и его геометрический смысл.

Формула Ньютона-Лейбница. Методы вычисления определенного интеграла.

Зная производную или дифференциал функции, можно найти саму эту функцию (восстановить функцию). Такое действие, обратное дифференцированию, называется интегрированием.

Первообразной функцией по отношению к данной функции называется такая функция
, производная от которой равна данной функции, т.е.

Для данной функции первообразных функций бесчисленное множество, т.к. любая из функций
, также является первообразной для .

Совокупность всех первообразных для данной функции называется ее неопределенным интегралом обозначается символом:

, где

называется подынтегральным выражением, функция
- подынтегральной функцией.

Геометрический смысл неопределенного интеграла. Геометрически, неопределенный интеграл представляет собой семейство интегральных кривых на плоскости, полученных путем параллельного переноса графика функции
вдоль оси ординат (рис. 3).

Основные свойства неопределённого интеграла

Свойство 1. Производная неопределенного интеграла равна подынтегральной функции:

Свойство 2. Дифференциал неопределенного интеграла равен подынтегральному выражению:

Свойство 3. Интеграл от дифференциала функции равен этой функции плюс const:

Свойство 4. Линейность интеграла.

Таблица основных интегралов

	Интеграл
степенная
показательная
тригонометрические
обратные тригонометрические

Основные методы интегрирования

Метод интегрирования по частям – это метод, заключающийся в использовании формулы:

.

Этот метод применяется в том случае, если интеграл
является более простым для решения чем
. Как правило, этим методом решаются интегралы вида
, где
- многочлен, а - одна из следующих функций:
,
,
, , ,
,
.

Рассмотрим некоторую функцию
, определённую на промежутке
, рис. 4. Выполним 5 операций.

1. Разобьём промежуток точками произвольным образом на частей. Обозначим
, а наибольшую из длин этих частичных участков обозначим через , будем называть рангом дробления.

2. На каждом частичном участке
возьмём произвольную точку и вычислим в ней значение функции
.

3. Составим произведение

4. Составим сумму
. Эта сумма называется интегральной суммой или суммой Римана.

5. Измельчая дробление (за счёт увеличения числа точек дробления ) и устремляя при этом ранг дробления к нулю (
) т.е. (увеличивая число точек дробления, мы следим за тем, чтобы уменьшалась и стремилась к нулю длина всех частичных участков
), будем находить предел последовательности интегральных сумм

Если этот предел существует, не зависит от способа дробления и выбора точек , то он называется определённым интегралом от функции по промежутку и обозначается так:
.

Геометрический смысл определенного интеграла. Допустим, что функция непрерывна и положительна на промежутке . Рассмотрим криволинейную трапецию ABCD (рис. 4). Интегральная сумма
даёт нам сумму площадей прямоугольников с основаниями
и высотами
. Её можно принять за приближённое значение площади криволинейной трапеции ABCD , т.е.

,

причём, это равенство будет тем точнее, чем мельче дробление, и в пределе при n →+∞ и λ → 0 мы получим:

.

В этом и заключается геометрический смысл определённого интеграла.

Основные свойства определённого интеграла

Свойство 1. Определенный интеграл с одинаковыми пределами равен нулю.

Свойство 2. При перемене местами пределов интегрирования определённый интеграл меняет знак на противоположный.

Свойство 3. Линейность интеграла.

Свойство 4. Каковы бы ни были числа , если функция
интегрируема на каждом из промежутков
,
,
(рис. 5), то:

Теорема. Если функция непрерывна на промежутке , то определённый интеграл от этой функции по промежутку равен разности значений какой-либо первообразной этой функции на верхнем и на нижнем пределах интегрирования, т.е.

(Формула Ньютона-Лейбница) .

Эта формула сводит нахождение определенных интегралов к нахождению неопределенных интегралов. Разность
называется приращением первообразной и обозначается
.

Рассмотрим основные способы вычисления определённого интеграла: замену переменных (подстановку) и интегрирование по частям.

Подстановка (замена переменной) в определённом интеграле - необходимо выполнить следующие действия:

и
;

Замечание. При вычислении определённых интегралов с помощью подстановки нет необходимости возвращаться к первоначальному аргументу.

2. Интегрирование по частям в определённом интеграле сводится к применению формулы:

.

Примеры решения задач

Задание 1. Найти неопределенный интеграл методом непосредственного интегрирования.

1.
. Используя свойство неопределенного интеграла, вынесем за знак интеграла постоянный множитель. Затем, выполняя элементарные математические преобразования, приведем подынтегральную функцию к степенному виду:

.

Задание 2. Найти неопределенный интеграл, используя метод замены переменной.

1.
. Сделаем замену переменной
, тогда . Исходный интеграл примет вид:

Таким образом, мы получили неопределенный интеграл табличного вида: степенная функция. Используя правило нахождения неопределенного интеграла от степенной функции, найдем:

Сделав обратную замену, получим окончательный ответ:

Задание 3. Найти неопределенный интеграл, используя метод интегрирования по частям.

1.
. Введем следующие обозначения: смысл ... основное понятие интегрального исчисления – понятие неопределенного интеграла ... неопределенного интеграла Основные свойства неопределенного интеграла Использовать таблицу основных неопределенных ...

Рабочая программа учебной дисциплины "высшая математика" Цикл

Рабочая программа

... основные законы... Интегральное исчисление функции одной переменной Первообразная. Неопределённый интеграл и его свойства ... интеграл и его геометрический смысл . Интеграл ... координатах. Неопределенный интеграл и... и практические занятия ". Петрушко И.М., ...

​Интеграл является важной частью дифференциального исчисления. Интегралы могут быть двойные, тройные и т.д. Для нахождения площади поверхности и объема геометрических тел используются различные типы интегралов.

Неопределенный интеграл имеет вид: \(∫f (x)\, dx\) и определенный интеграла имеет вид: \(\int_a^b \! f (x)\, dx\)

Область плоскости, ограниченной графиком определенный интеграла:

Операции интегрирования обратны дифференцированию. По этой причине надо вспомнить первообразную, функцию, таблицу производных.

Функция \(F (x) = x^2\) является первообразной для функции \(f (х) = 2х\) . Функции \(f (х) = x^2+2\) и \(f (х) = x^2+7\) также является первообразными для функции \(f (х) = 2х\) . \(2\) и \(7-\) это константы, производные которых равны нулю, поэтому мы можем подставлять их сколько угодно, значение первообразной не изменится. Для записи неопределенного интеграла использует знак \(∫\) . Неопределенный интеграл - это совокупность всех первообразных функции \(f (х) = 2х\) . Операции интегрирования обратны дифференцированию. \(∫2x = x^2+C\) , где \(C\) это константа интегрирования, то есть если мы вычислим производную \(x^2\) , то получим \(2x\) , а это и есть \(∫2x\) . Легко, не правда ли? Если вы не поняли, то вам надо повторить производную функции. Теперь мы можем вывести формулу по которой мы будем вычислять интеграл: \(∫u^ndu=\frac{u^n+1} {n+1}, n ≠ -1\) . мы вычитали 1, теперь мы прибавляем 1 , n не может быть равно 0. Также существуют другие правила интегрирования для других основных функций которые надо выучить:

Решение неопределенного интеграла это обратный процесс нахождения первообразных дифференциального уравнения. Мы находим функцию, производная которой является интегралом, и не забываем добавлять "+ C" в конце.

Принципы интегрального исчесления были сформулированы независимо друг от друга Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем в конце 17-го века. Бернхард Риман дал строгое математическое определение интегралов. Первым документированным систематическим методом, способным определять интегралы, является метод исчесления древнегреческого астронома Евдокса, который пытался найти площади и объемы, разбив их на бесконечное число известных площадей и объемов. Этот метод был далее разработан и использован Архимедом в 3-м веке до н. э. и использовался для расчета площадей парабол и приближения к площади круга.

Аналогичный метод был независимо разработан в Китае около 3-го века нашей эры Лю Хуэем, который использовал его, чтобы найти площадь круга. Этот метод позже был использован в 5-м веке китайскими математиками-отцом и сыном ЗУ Чунчжи и ЗУ Генгом, чтобы найти объем сферы.

Следующие значимые достижения в интегральном исчислении не появлялись до 17-го века. В это время работы Кавальери и Ферма начали закладывать основы современного исчисления.

В частности, фундаментальная теорема исчисления интегралов позволяет решать гораздо более широкий класс задач. Равным по важности является комплексная математическая структура, которую разработали Ньютон и Лейбниц. Эта структура интегралов взята непосредственно из работы Лейбница и стала современным интегральным исчислением.Исчисление было изменено Риманом , используя пределы. Впоследствии были рассмотрены более общие функции, особенно в контексте анализа Фурье, к которым определение Римана не применяется. Лебег сформулировал другое определение интеграла, основанное в теории мер (подполе реального анализа).

Современное обозначение неопределенного интеграла было введено Готфридом Лейбницем в 1675 году.

Интегралы широко используются во многих областях математики. Например, в теории вероятностей интегралы используются для определения вероятности попадания некоторой случайной величины в определенный диапазон.

Интегралы могут быть использованы для вычисления площади двумерной области, имеющей криволинейную границу, а также для вычисления объема трехмерного объекта, имеющего криволинейную границу.

Интегралы используются в физике, в таких областях, как кинематика, чтобы найти перемещение, время и скорость.