Перейти к содержанию
Educora
Университет32 мин72 / 82

Интеграл: первообразная и определённый интеграл

Первообразная, таблица неопределённых интегралов, интегральные суммы, определённый интеграл как площадь, формула Ньютона — Лейбница, свойства интеграла, площадь между кривыми и среднее значение функции.

Проверь себя
В этом уроке ты узнаешь
  • Находить первообразные по таблице и с помощью линейности
  • Объяснять определённый интеграл как предел интегральных сумм
  • Вычислять определённые интегралы по формуле Ньютона — Лейбница
  • Находить площадь между кривыми и среднее значение функции

Бортовой компьютер автомобиля каждую секунду записывает скорость. Какой путь проехала машина? При постоянной скорости путь = скорость × время, но скорость всё время меняется. Разобьём поездку на крошечные промежутки времени, в каждом умножим скорость на время, сложим произведения и будем уменьшать промежутки — получится интеграл. Удивительно, но вычисляется он «обратным дифференцированием».

Первообразная и неопределённый интеграл

Определение
Первообразная

Функция F называется первообразной функции f на интервале, если F′(x) = f(x) во всех его точках. Например, x³/3 — первообразная для x², как и x³/3 + 5 или x³/3 − π: любые две первообразные отличаются на постоянную.

∫ f(x) dx = F(x) + C, F′(x) = f(x)
где:
  • ∫знак интеграла
  • f(x)подынтегральная функция
  • dxпоказывает, что переменная интегрирования — x
  • Cпроизвольная постоянная

Неопределённый интеграл — это всё семейство первообразных. Линейность: ∫ (a · f + b · g) dx = a ∫ f dx + b ∫ g dx.

f(x)∫ f(x) dxПримечание
xⁿxⁿ⁺¹ / (n + 1) + Cn ≠ −1; ∫ x³ dx = x⁴/4 + C
1 / xln |x| + Cx ≠ 0; случай n = −1
eˣeˣ + Cсама себе первообразная
aˣaˣ / ln a + Ca > 0, a ≠ 1
sin x−cos x + Cне забудьте минус
cos xsin x + Cx в радианах
1 / cos² xtg x + Ccos x ≠ 0
1 / sin² x−ctg x + Csin x ≠ 0
1 / (1 + x²)arctg x + Cвсе x
1 / √(1 − x²)arcsin x + C|x| < 1
1 / (x² + a²)(1/a) arctg(x/a) + Ca ≠ 0
Таблица основных интегралов — таблица производных, прочитанная наоборот.
∫ f(kx + b) dx = (1/k) · F(kx + b) + C∫ f(kx + b) dx = (1/k) · F(kx + b) + C
где:
  • Fпервообразная функции f
  • k, bпостоянные, k ≠ 0

Правило линейного аргумента: ∫ cos 3x dx = (1/3) sin 3x + C, ∫ e²ˣ⁺¹ dx = (1/2) e²ˣ⁺¹ + C, ∫ dx/(2x − 5) = (1/2) ln|2x − 5| + C.

Интегрирование по таблице

а) ∫ (3x² − 4/x + 2eˣ) dx
б) ∫ (√x + 1/x²) dx

Показать решение
а) Интегрируем почленно: 3 · x³/3 − 4 ln|x| + 2eˣ + C = x³ − 4 ln|x| + 2eˣ + C.
б) Запишем в виде степеней: x^(1/2) + x⁻². ∫ x^(1/2) dx = x^(3/2)/(3/2) = (2/3)x^(3/2); ∫ x⁻² dx = x⁻¹/(−1) = −1/x.
Ответ: (2/3)x√x − 1/x + C.
Проверка: ((2/3)x^(3/2))′ = x^(1/2) = √x и (−1/x)′ = 1/x². ✓
Интерактив
Загрузка симуляции…
Первая кривая — f(x) = x², вторая — одна из её первообразных F(x) = x³/3 + C. Меняйте C: график F сдвигается вверх и вниз, но его угловой коэффициент в каждой точке x остаётся равным f(x). Поэтому постоянная C произвольна.

Определённый интеграл: интегральные суммы

Пусть f непрерывна на [a, b]. Разобьём отрезок на n равных частей ширины Δx = (b − a)/n, выберем в каждой точку xᵢ* и составим интегральную сумму (сумму Римана) ∑ f(xᵢ*) · Δx — суммарную площадь n узких прямоугольников. При n → ∞ суммы стремятся к одному числу — определённому интегралу. При f ≥ 0 это площадь под графиком; там, где f < 0, площадь берётся со знаком минус (ориентированная площадь).

∫ₐᵇ f(x) dx = lim (n→∞) ∑ᵢ₌₁ⁿ f(xᵢ*) · Δx, Δx = (b − a)/n∫ₐᵇ f(x) dx = lim (n→∞) ∑ᵢ₌₁ⁿ f(xᵢ*) · Δx, Δx = (b − a)/n
где:
  • a, bнижний и верхний пределы интегрирования
  • xᵢ*точка, выбранная на i-м отрезке
  • Δxширина каждого отрезка

Определение определённого интеграла (по Риману). Знак ∫ — вытянутая буква S от слова «сумма» (summa), а dx напоминает Δx.

Площадь прямоугольниками

Оцените ∫₀¹ x² dx с помощью n = 4 прямоугольников, беря правые и левые концы отрезков.

Показать решение
Δx = 1/4. Правые концы 1/4, 1/2, 3/4, 1:
R₄ = (1/16 + 4/16 + 9/16 + 16/16) · 1/4 = 30/64 ≈ 0,469.
Левые концы 0, 1/4, 1/2, 3/4: L₄ = (0 + 1/16 + 4/16 + 9/16) · 1/4 = 14/64 ≈ 0,219.
Точная площадь лежит между ними. Для n прямоугольников Rₙ = (n + 1)(2n + 1)/(6n²) → 2/6 = 1/3 при n → ∞.

Основная теорема анализа

Складывать миллионы прямоугольников утомительно. Великое открытие Ньютона и Лейбница связывает площадь с первообразной. Рассмотрим функцию площади A(x) = ∫ₐˣ f(t) dt. Если увеличить x на h, добавится узкая полоска ширины h и высоты около f(x): A(x + h) − A(x) ≈ f(x) · h. Разделим на h и устремим h → 0: A′(x) = f(x). Значит, функция площади — первообразная для f!

d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x)d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x)
где:
  • ∫ₐˣ f(t) dtфункция площади A(x) — интеграл с переменным верхним пределом
  • tпеременная интегрирования (другая буква, чтобы не путать с x)

Основная теорема, часть 1: дифференцирование «отменяет» интегрирование.

∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a) = F(x) |ₐᵇ
где:
  • Fлюбая первообразная функции f
  • F(x) |ₐᵇкраткая запись разности F(b) − F(a)

Формула Ньютона — Лейбница (вторая часть основной теоремы). Постоянная C сокращается в разности, поэтому подходит любая первообразная.

Интерактив
Загрузка симуляции…
Закрашенная площадь — это ∫₀ᵇ x² dx. Меняй b и сравни значение в правом верхнем углу с формулой Ньютона–Лейбница: b³/3. Например, при b = 2 получаем 8/3 ≈ 2,667.
Вычисление по формуле Ньютона — Лейбница

а) ∫₀¹ x² dx б) ∫₀^π sin x dx в) ∫₁^e dx/x г) ∫₀² (3x² − 2x + 1) dx

Показать решение
а) [x³/3]₀¹ = 1/3 − 0 = 1/3 — ровно предел интегральных сумм выше.
б) [−cos x]₀^π = −cos π + cos 0 = 1 + 1 = 2. Одна «арка» синусоиды имеет площадь 2.
в) [ln x]₁^e = ln e − ln 1 = 1.
г) [x³ − x² + x]₀² = 8 − 4 + 2 = 6.
  • Перестановка пределов меняет знак; ∫ₐᵃ f dx = 0.
  • Аддитивность: ∫ₐᵇ f dx = ∫ₐᵐ f dx + ∫ₘᵇ f dx для любого m.
  • Линейность: ∫ₐᵇ (αf + βg) dx = α ∫ₐᵇ f dx + β ∫ₐᵇ g dx.
  • Сравнение: если f(x) ≤ g(x) на [a, b], то ∫ₐᵇ f dx ≤ ∫ₐᵇ g dx.
  • Симметрия: для нечётной f ∫₋ₐᵃ f dx = 0, для чётной f ∫₋ₐᵃ f dx = 2 ∫₀ᵃ f dx.

Площадь между кривыми и среднее значение

S = ∫ₐᵇ (f(x) − g(x)) dx
где:
  • fверхняя кривая: f(x) ≥ g(x) на [a, b]
  • gнижняя кривая
  • a, bобычно абсциссы точек пересечения кривых

Площадь между двумя кривыми: «верхняя минус нижняя», затем интегрируем.

Площадь между прямой и параболой

Найдите площадь фигуры, ограниченной линиями y = x и y = x².

Показать решение
Точки пересечения: x = x² ⇒ x(x − 1) = 0 ⇒ x = 0 и x = 1.
На [0; 1] x ≥ x² (например, при x = 1/2: 1/2 > 1/4), т. е. прямая сверху.
S = ∫₀¹ (x − x²) dx = [x²/2 − x³/3]₀¹ = 1/2 − 1/3 = 1/6.
f̄ = 1/(b − a) · ∫ₐᵇ f(x) dxf̄ = 1/(b − a) · ∫ₐᵇ f(x) dx
где:
  • f̄среднее значение f на [a, b]
  • b − aдлина отрезка

Теорема о среднем: непрерывная f в некоторой точке c отрезка принимает значение f̄ — площадь прямоугольника высоты f̄ равна площади под графиком.

Среднее значение и средняя скорость

а) Найдите среднее значение sin x на [0; π].
б) Скорость тела v(t) = 3t² м/с. Найдите путь за 0 ≤ t ≤ 2 с и среднюю скорость.

Показать решение
а) f̄ = (1/π) ∫₀^π sin x dx = 2/π ≈ 0,637 (около 64% от максимального значения 1).
б) Путь: s = ∫₀² 3t² dt = [t³]₀² = 8 м.
Средняя скорость: 8/2 = 4 м/с. Проверка: скорость растёт от 0 до 12 м/с, и среднее лежит между ними.

Главное

  • Если F′ = f, то F — первообразная f, и ∫ f dx = F + C.
  • ∫ xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C (n ≠ −1), ∫ dx/x = ln|x| + C, ∫ eˣ dx = eˣ + C.
  • Определённый интеграл — предел интегральных сумм, ориентированная площадь под графиком.
  • Ньютон — Лейбниц: ∫ₐᵇ f dx = F(b) − F(a); также d/dx ∫ₐˣ f(t) dt = f(x).
  • Площадь между кривыми: ∫ₐᵇ (верхняя − нижняя) dx; среднее значение: (1/(b − a)) ∫ₐᵇ f dx.

Проверь себя

Вопросов: 10. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 10
Чему равен ∫ (4x³ + 2x) dx?