Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопросы №10–11 · 50 задач
Определение. Функция \(F(x)\) называется первообразной функции \(f(x)\) на промежутке \(X\), если для всех \(x \in X\) выполняется равенство
Пример: \(F(x)=\dfrac{x^3}{3}\) — первообразная для \(f(x)=x^2\), так как \(\left(\dfrac{x^3}{3}\right)'=x^2\). Но и \(\dfrac{x^3}{3}+7\) — тоже первообразная для \(x^2\): постоянное слагаемое при дифференцировании исчезает.
Теорема (о множестве первообразных). Если \(F(x)\) — какая-нибудь первообразная функции \(f(x)\) на промежутке \(X\), то множество всех первообразных \(f(x)\) на этом промежутке имеет вид
Действительно: во-первых, \((F(x)+C)' = F'(x) = f(x)\), то есть \(F(x)+C\) — первообразная. Во-вторых, если \(\Phi(x)\) — другая первообразная, то \((\Phi(x)-F(x))' = f(x)-f(x) = 0\), а функция с нулевой производной на промежутке постоянна, значит \(\Phi(x)=F(x)+C\).
Определение. Совокупность всех первообразных функции \(f(x)\) на промежутке \(X\) называется неопределённым интегралом от функции \(f(x)\) и обозначается
Здесь \(f(x)\) — подынтегральная функция, \(f(x)\,dx\) — подынтегральное выражение, \(x\) — переменная интегрирования, \(C\) — произвольная постоянная интегрирования. Операция нахождения интеграла называется интегрированием; она обратна дифференцированию.
1) Производная интеграла равна подынтегральной функции, а дифференциал интеграла — подынтегральному выражению: \[ \left( \int f(x)\,dx \right)' = f(x), \qquad d\!\left( \int f(x)\,dx \right) = f(x)\,dx. \]
2) Интеграл от дифференциала функции равен этой функции с точностью до постоянной: \[ \int dF(x) = F(x) + C, \qquad \text{в частности } \int dx = x + C. \]
3) Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла (\(k \ne 0\)): \[ \int k \, f(x)\,dx = k \int f(x)\,dx. \]
4) Интеграл суммы (разности) равен сумме (разности) интегралов: \[ \int \bigl( f(x) \pm g(x) \bigr) dx = \int f(x)\,dx \pm \int g(x)\,dx. \]
Свойства 3) и 4) вместе называют линейностью неопределённого интеграла: \(\displaystyle \int \bigl( \alpha f(x) + \beta g(x) \bigr) dx = \alpha \int f(x)\,dx + \beta \int g(x)\,dx.\)
Правильность интегрирования всегда можно проверить дифференцированием: производная результата должна совпасть с подынтегральной функцией.
| № | Формула | № | Формула |
|---|---|---|---|
| 1 | \(\displaystyle \int x^{n}\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C,\ \ n \ne -1\) | 9 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{\cos^2 x} = \operatorname{tg} x + C\) |
| 2 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{x} = \ln|x| + C\) | 10 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{\sin^2 x} = -\operatorname{ctg} x + C\) |
| 3 | \(\displaystyle \int e^{x}\,dx = e^{x} + C\) | 11 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{1+x^2} = \operatorname{arctg} x + C\) |
| 4 | \(\displaystyle \int a^{x}\,dx = \frac{a^{x}}{\ln a} + C,\ \ a>0,\ a\ne 1\) | 12 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{x^2+a^2} = \frac{1}{a}\operatorname{arctg}\frac{x}{a} + C\) |
| 5 | \(\displaystyle \int \sin x\,dx = -\cos x + C\) | 13 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{x^2-a^2} = \frac{1}{2a}\ln\left|\frac{x-a}{x+a}\right| + C\) |
| 6 | \(\displaystyle \int \cos x\,dx = \sin x + C\) | 14 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin x + C\) |
| 7 | \(\displaystyle \int \operatorname{tg} x\,dx = -\ln|\cos x| + C\) | 15 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{\sqrt{a^2-x^2}} = \arcsin\frac{x}{a} + C\) |
| 8 | \(\displaystyle \int \operatorname{ctg} x\,dx = \ln|\sin x| + C\) | 16 | \(\displaystyle \int \frac{dx}{\sqrt{x^2 \pm a^2}} = \ln\left| x + \sqrt{x^2 \pm a^2} \right| + C\) |
Частные случаи формулы 1: \(\displaystyle \int dx = x + C\); \(\displaystyle \int \frac{dx}{x^2} = -\frac{1}{x} + C\); \(\displaystyle \int \frac{dx}{\sqrt{x}} = 2\sqrt{x} + C\).
Непосредственное интегрирование — вычисление интеграла с помощью тождественных преобразований подынтегральной функции (раскрытие скобок, почленное деление, переход к степеням с рациональными показателями, тригонометрические формулы), свойств линейности и таблицы основных интегралов.
Метод основан на инвариантности формул интегрирования: если \(\displaystyle \int f(x)\,dx = F(x)+C\), то для любой дифференцируемой функции \(u = \varphi(x)\)
Суть приёма: заметить в подынтегральном выражении множитель, равный (с точностью до постоянной) производной некоторой функции \(u=\varphi(x)\), и «спрятать» его под знак дифференциала: \(\varphi'(x)\,dx = d\varphi(x)\). Типовые преобразования:
Важнейшее следствие для линейного аргумента: если \(\displaystyle \int f(x)\,dx = F(x)+C\), то
Простая замена переменной. Тот же приём можно оформить как подстановку: положим \(u=\varphi(x)\), тогда \(du=\varphi'(x)\,dx\), интеграл сводится к табличному \(\displaystyle \int f(u)\,du = F(u)+C\), после чего возвращаемся к переменной \(x\): в ответ подставляем \(u=\varphi(x)\).
Пример 1 (непосредственное интегрирование). Вычислить \(\displaystyle \int \frac{(1+\sqrt{x})^2}{x}\,dx\).
Шаг 1. Преобразуем подынтегральную функцию: раскроем скобки и почленно поделим на \(x\): \[ \frac{(1+\sqrt{x})^2}{x} = \frac{1 + 2\sqrt{x} + x}{x} = \frac{1}{x} + \frac{2}{\sqrt{x}} + 1. \]
Шаг 2. По линейности разбиваем интеграл на сумму табличных: \[ \int \frac{(1+\sqrt{x})^2}{x}\,dx = \int \frac{dx}{x} + 2\int x^{-1/2}\,dx + \int dx. \]
Шаг 3. Применяем табличные формулы: \[ = \ln|x| + 2\cdot\frac{x^{1/2}}{1/2} + x + C = \ln|x| + 4\sqrt{x} + x + C. \]
Проверка: \(\bigl(\ln|x| + 4\sqrt{x} + x\bigr)' = \dfrac{1}{x} + \dfrac{2}{\sqrt{x}} + 1\) — совпало с подынтегральной функцией.
Пример 2 (внесение под знак дифференциала). Вычислить \(\displaystyle \int x\,e^{x^2}\,dx\).
Шаг 1. Замечаем: множитель \(x\) с точностью до коэффициента является производной показателя \(x^2\), так как \((x^2)'=2x\). Поэтому \(x\,dx = \dfrac{1}{2}\,d(x^2)\).
Шаг 2. Вносим под знак дифференциала: \[ \int x\,e^{x^2}\,dx = \frac{1}{2}\int e^{x^2}\,d(x^2). \]
Шаг 3. Обозначим \(u = x^2\); получаем табличный интеграл: \[ \frac{1}{2}\int e^{u}\,du = \frac{1}{2}\,e^{u} + C = \frac{1}{2}\,e^{x^2} + C. \]
Проверка: \(\left(\dfrac{1}{2}e^{x^2}\right)' = \dfrac{1}{2}\,e^{x^2}\cdot 2x = x\,e^{x^2}.\)
Аналогично: \(\displaystyle \int \cos x \, \sin^3 x\,dx = \int \sin^3 x \; d(\sin x) = \frac{\sin^4 x}{4} + C.\)
Пример 3 (линейный аргумент, \(d(ax+b)\)). Вычислить \(\displaystyle \int \frac{dx}{3x+5}\).
Шаг 1. Так как \(d(3x+5) = 3\,dx\), то \(dx = \dfrac{1}{3}\,d(3x+5)\).
Шаг 2. Вносим под знак дифференциала: \[ \int \frac{dx}{3x+5} = \frac{1}{3}\int \frac{d(3x+5)}{3x+5}. \]
Шаг 3. Получен табличный интеграл \(\displaystyle \int \frac{du}{u} = \ln|u|+C\) при \(u=3x+5\): \[ \int \frac{dx}{3x+5} = \frac{1}{3}\ln|3x+5| + C. \]
Аналогично по формуле линейного аргумента: \(\displaystyle \int \cos(7x-2)\,dx = \frac{1}{7}\sin(7x-2)+C;\qquad \int e^{-4x}\,dx = -\frac{1}{4}\,e^{-4x}+C.\)
Во всех задачах требуется вычислить неопределённый интеграл. Ответ проверяйте дифференцированием.