Меню

Таблица с примерами решения неопределенного интеграла

Найти неопределённый интеграл: начала начал, примеры решений

Что нужно знать, чтобы найти неопределённый интеграл

Найти неопределённый интеграл (множество первообразных или «антипроизводных») означает восстановить функцию по известной производной этой функции. Восстановленное множество первообразных F(x) + С для функции f(x) учитывает константу интегрирования C. По скорости перемещения материальной точки (производной) может быть восстановлен закон движения этой точки (первообразная); по ускорению движения точки — её скорость и закон движения. Как видно, интегрирование — широкое поле для деятельности Шерлоков Холмсов от физики. Да и в экономике многие понятия представляются через функции и их производные и поэтому, например, можно по производительности труда в определённый момент времени (производной) восстановить объём продукции, выпущенный в соответствующее время.

Чтобы найти неопределённый интеграл, требуется довольно небольшое количество основных формул интегрирования. Но процесс его нахождения значительно труднее, чем одно лишь применение этих формул. Вся сложность относится не к интегрированию, а к приведению интегрируемого выражения к такому виду, который даёт возможность найти неопределённый интеграл по упомянутым выше основным формулам. Это означает, что для начала практики интегрирования нужно активизировать полученные в средней школе навыки преобразования выражений.

Учиться находить интегралы будем, пользуясь свойствами и таблицей неопределённых интегралов из урока об основных понятиях этой темы (откроется в новом окне).

Существует несколько методов нахождения интеграла, из которых метод замены переменной и метод интегрирования по частям — обязательный джентльменский набор каждого, кто успешно сдал высшую математику. Однако начинать осваивать интегрирование полезнее и приятнее с применением метода разложения, основанном на следующих двух теоремах о свойствах неопределённого интеграла, которые для удобства повторим здесь.

Теорема 3. Постоянный множитель в подынтегральном выражении можно выносить за знак неопределённого интеграла, т.е.

Теорема 4. Неопределённый интеграл алгебраической суммы конечного числа функций равен алгебраической сумме неопределённых интегралов этих функций, т.е.

Кроме того, в интегрировании может пригодиться следующее правило: если выражение подынтегральной функции содержит постоянный множитель, то выражение первообразной домножается на число, обратное постоянному множителю, то есть

Поскольку этот урок — вводный в решение задач интегрирования, важно отметить две вещи, которые либо уже на самом начальном этапе, либо несколько позже могут вас удивить. Удивление связано с тем фактом, что интегрирование — операция обратная дифференцированию и неопределённый интеграл можно справедливо называть «антипроизводной».

Первая вещь, которой не следует удивляться при интегрировании. В таблице интегралов существуют формулы, которые не имеют аналогов среди формул таблицы производной. Это следующие формулы:

Однако можно убедиться в том, что производные выражений, стоящих в правых частях этих формул, совпадают с соответствующими подынтегральными функциями.

Вторая вещь, которой не следует удивляться при интегрировании. Хотя производная любой элементарной функции представляет собой также элементарную функцию, неопределённые интегралы от некоторых элементарных функций уже не являются элементарными функциями. Примерами таких интегралов могут быть следующие:

Для выработки техники интегрирования пригодятся следующие навыки: сокращение дробей, деление многочлена в числителе дроби на одночлен в знаменателе (для получения суммы неопределённых интегралов), преобразование корней в степени, умножение одночлена на многочлен, возведение в степень. Эти навыки нужны для преобразований подынтегрального выражения, в результате которых должна получиться сумма интегралов, присутствующих в таблице интегралов.

Находим неопределённые интегралы вместе

Пример 1. Найти неопределённый интеграл

Решение. Видим в знаменателе подынтегрального выражения многочлен, в котором икс в квадрате. Это почти верный признак того, что можно применить табличный интеграл 21 (с арктангенсом в результате). Выносим из знаменателя множитель-двойку (есть такое свойство интеграла — постоянный множитель можно выносить за знак интеграла, выше оно было упомянуто как теорема 3). Результат всего этого:

Теперь в знаменателе сумма квадратов, а это значит, что можем применить упомянутый табличный интеграл. Окончательно получаем ответ:

Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.

Пример 2. Найти неопределённый интеграл

Решение. Вновь применяем теорему 3 — свойство интеграла, на основании которого постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:

Применяем формулу 7 из таблицы интегралов (переменная в степени) к подынтегральной функции:

Сокращаем получившиеся дроби и перед нами конечный ответ:

Пример 3. Найти неопределённый интеграл

Решение. Применяя сначала теорему 4, а затем теорему 3 о свойствах, найдём данный интеграл как сумму трёх интегралов:

Все три полученные интеграла – табличные. Используем формулу (7) из таблицы интегралов при n = 1/2, n = 2 и n = 1/5, и тогда

объединяет все три произвольные постоянные, которые были введены при нахождении трёх интегралов. Поэтому в аналогичных ситуациях следует вводить только одну произвольную постоянную (константу) интегрирования.

Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.

Пример 4. Найти неопределённый интеграл

Решение. Когда в знаменателе подынтегральной дроби — одночлен, можем почленно разделить числитель на знаменатель. Исходный интеграл превратился в сумму двух интегралов:

Чтобы применить табличный интеграл, преобразуем корни в степени и вот уже окончательный ответ:

Найти неопределённый интеграл самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 5. Найти неопределённый интеграл

Пример 6. Найти неопределённый интеграл

Продолжаем находить неопределённые интегралы вместе

Пример 7. Найти неопределённый интеграл

Решение. Если мы преобразуем подынтегральную функцию, возведя двучлен в квадрат и разделив почленно числитель на знаменатель, то исходный интеграл станет суммой трёх интегралов:

(мы применили обе нужные нам на этом уроке теоремы о свойствах интеграла). Все полученные интегралы – табличные. Используем формулу (7) из таблицы интегралов при n = 2/3, n = 7/6, n = 5/3 и за последним знаком равенства — окончательное решение.

Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.

Пример 8. Найти неопределённый интеграл

Решение. В подынтегральном выражении нужно умножить многочлен на одночлен, тогда получим сумму двух интегралов:

Применяем табличный интеграл, интегрируя степенные функции, и окончательный ответ:

Пример 9. Найти неопределённый интеграл

Решение. В подынтегральном выражении — многочлен в степени. Возведём его в степень и получим сумму интегралов, в которой постоянные множители вынесены за знаки интеграла:

Интегрируем каждое слагаемое и перед нами — окончательный ответ:

Пример 10. Найти неопределённый интеграл

Решение. Представим числитель подынтегральной функции, равный 1, в виде

Оба интеграла – табличные. Используя формулы (17) и (18) из таблицы интегралов, получим

Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.

Источник



Неопределенный интеграл.
Подробные примеры решений

На данном уроке мы начнём изучение темы Неопределенный интеграл, а также подробно разберем примеры решений простейших (и не совсем) интегралов. В этой статье я ограничусь минимумом теории, и сейчас наша задача – научиться решать интегралы.

Что нужно знать для успешного освоения материала? Для того чтобы справиться с интегральным исчислением Вам необходимо уметь находить производные, минимум, на среднем уровне. Поэтому, если материал запущен, то рекомендую сначала внимательно ознакомиться с уроками Как найти производную? и Производная сложной функции. Не лишним опытом будет, если у Вас за плечами несколько десятков (лучше – сотня) самостоятельно найденных производных. По-крайне мере, Вас не должны ставить в тупик задания на дифференцирование простейших и наиболее распространенных функций. Казалось бы, при чем здесь вообще производные, если речь в статье пойдет об интегралах?! А дело вот в чем. Дело в том, что нахождение производных и нахождение неопределенных интегралов (дифференцирование и интегрирование) – это два взаимно обратных действия, как, например, сложение/вычитание или умножение/деление. Таким образом, без навыка (+ какого-никакого опыта) нахождения производных, к сожалению, дальше не продвинуться.

В этой связи нам потребуются следующие методические материалы: Таблица производных и Таблица интегралов. Справочные пособия можно открыть, закачать или распечатать на странице Математические формулы и таблицы.

В чем сложность изучения неопределенных интегралов? Если в производных имеют место строго 5 правил дифференцирования, таблица производных и довольно четкий алгоритм действий, то в интегралах всё иначе. Существуют десятки способов и приемов интегрирования. И, если способ интегрирования изначально подобран неверно (т.е. Вы не знаете, как решать), то интеграл можно «колоть» буквально сутками, как самый настоящий ребус, пытаясь приметить различные приемы и ухищрения. Некоторым даже нравится. Между прочим, это не шутка, мне довольно часто приходилось слышать от студентов мнение вроде «У меня никогда не было интереса решить предел или производную, но вот интегралы – совсем другое дело, это увлекательно, всегда есть желание «взломать» сложный интеграл». Стоп. Хватит чёрного юмора, переходим к этим самым неопределенным интегралам.

Коль скоро способов решения существует очень много, то с чего же начать изучение неопределенных интегралов чайнику? В интегральном исчислении существуют, на мой взгляд, три столпа или своеобразная «ось», вокруг которой вращается всё остальное. В первую очередь следует хорошо разобраться в простейших интегралах (эта статья). Потом нужно детально проработать урок Метод замены в неопределенном интеграле. ЭТО ВАЖНЕЙШИЙ ПРИЁМ! Может быть, даже самая важная статья из всех моих статей, посвященных интегралам. И, в-третьих, обязательно следует ознакомиться с методом интегрирования по частям, поскольку с помощью него интегрируется обширный класс функций. Если Вы освоите хотя бы эти три урока, то уже «не два». Вам могут «простить» незнание интегралов от тригонометрических функций, интегралов от дробей, интегралов от дробно-рациональных функций, интегралов от иррациональных функций (корней), но вот если «сесть в лужу» на методе замены или методе интегрирования по частям – то это будет очень и очень скверно.

В Рунете сейчас весьма распространены демотиваторы. В контексте изучения интегралов, наоборот, просто необходим МОТИВАТОР. Как в том анекдоте про Василия Ивановича, который и Петьку мотивировал, и Аньку мотивировал. Уважаемые лентяи, халявщики и другие нормальные студенты, обязательно прочитайте нижеследующее. Знания и навыки по неопределенному интегралу потребуются в дальнейшей учебе, в частности, при изучении определенного интеграла, несобственных интегралов, дифференциальных уравнений на 2 курсе. Необходимость взять интеграл возникает даже в теории вероятностей! Таким образом, без интегралов путь на летнюю сессию и 2 курс БУДЕТ РЕАЛЬНО ЗАКРЫТ. Я серьезно. Вывод таков. Чем больше интегралов различных типов вы прорешаете, тем легче будет дальнейшая жизнь. Да, это займет довольно много времени, да, порой, не хочется, да, иногда «да фиг с ним, с этим интегралом, авось не попадется». Но, воодушевлять и греть душу должна следующая мысль, ваши усилия окупятся сполна! Вы будете, как орехи щелкать дифференциальные уравнения и легко расправляться с интегралами, которые встретятся в других разделах высшей математики. Качественно разобравшись с неопределенным интегралом, ВЫ ФАКТИЧЕСКИ ОСВАИВАЕТЕ ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО РАЗДЕЛОВ ВЫШКИ.

Читайте также:  Внешний долг россии таблица динамика

И поэтому я просто не мог не создать интенсивный курс по технике интегрирования, который получился на удивление коротким – желающие могут воспользоваться pdf-книгой и подготовиться ОЧЕНЬ быстро. Но материалы сайта ни в коем случае не хуже!

Итак, начинаем с простого. Посмотрим на таблицу интегралов. Как и в производных, мы замечаем несколько правил интегрирования и таблицу интегралов от некоторых элементарных функций. Нетрудно заметить, что любой табличный интеграл (да и вообще любой неопределенный интеграл) имеет вид:

Сразу разбираемся в обозначениях и терминах:

– подынтегральная функция (пишется с буквой «ы»).

– значок дифференциала. При записи интеграла и в ходе решения важно не терять данный значок. Заметный недочет будет.

– подынтегральное выражение или «начинка» интеграла.

– множество первообразных функций. Не нужно сильно загружаться терминами, самое важное, что в любом неопределенном интеграле к ответу приплюсовывается константа .

Решить интеграл – это значит найти определенную функцию , пользуясь некоторыми правилами, приемами и таблицей.

Еще раз посмотрим на запись:

Посмотрим в таблицу интегралов.

Что происходит? Левые части у нас превращаются в другие функции: .

Упростим наше определение.

Решить неопределенный интеграл – это значит ПРЕВРАТИТЬ его в определенную функцию , пользуясь некоторыми правилами, приемами и таблицей.

Возьмем, например, табличный интеграл . Что произошло? превратился в функцию .

Как и в случае с производными, для того, чтобы научиться находить интегралы, не обязательно быть в курсе, что такое интеграл, первообразная функция с теоретической точки зрения. Достаточно просто осуществлять превращения по некоторым формальным правилам. Так, в случае совсем не обязательно понимать, почему интеграл превращается именно в . Пока можно принять эту и другие формулы как данность. Все пользуются электричеством, но мало кто задумывается, как там по проводам бегают электроны.

Так как дифференцирование и интегрирование – противоположные операции, то для любой первообразной, которая найдена правильно, справедливо следующее:

Иными словами, если продифференцировать правильный ответ, то обязательно должна получиться исходная подынтегральная функция.

Вернемся к тому же табличному интегралу .

Убедимся в справедливости данной формулы. Берем производную от правой части:

– исходная подынтегральная функция.

Вот, кстати, стало понятнее, почему к функции всегда приписывается константа . При дифференцировании константа всегда превращается в ноль.

Решить неопределенный интеграл – это значит найти множество всех первообразных, а не какую-то одну функцию. В рассматриваемом табличном примере , , , и т. д. – все эти функции являются решением интеграла . Решений бесконечно много, поэтому записывают коротко:

Таким образом, любой неопределенный интеграл достаточно легко проверить (в отличие от производных, где хорошую стопудовую проверку можно осуществить разве что с помощью математических программ). Это некоторая компенсация за большое количество интегралов разных видов.

Переходим к рассмотрению конкретных примеров. Начнем, как и при изучении производной,
с двух правил интегрирования, которые также называют свойствами линейности неопределенного интеграла:

– постоянный множитель можно (и нужно) вынести за знак интеграла.

– интеграл от алгебраической суммы двух функций равен алгебраической сумме двух интегралов от каждой функции в отдельности. Данное свойство справедливо для любого количества слагаемых.

Как видите, правила, в принципе, такие же, как и для производных.

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

Решение: Удобнее переписать его на бумагу.

(1) Применяем правило . Не забываем записать значок дифференциала под каждым интегралом. Почему под каждым? – это полноценный множитель, если расписывать решение совсем детально, то первый шаг следует записать так:

(2) Согласно правилу , выносим все константы за знаки интегралов. Обратите внимание, что в последнем слагаемом – это константа, её также выносим.
Кроме того, на данном шаге готовим корни и степени для интегрирования. Точно так же, как и при дифференцировании, корни надо представить в виде . Корни и степени, которые располагаются в знаменателе – перенести вверх.

! Примечание: в отличие от производных, корни в интегралах далеко не всегда следует приводить к виду , а степени переносить вверх. Например, – это готовый табличный интеграл, и всякие китайские хитрости вроде совершенно не нужны. Аналогично: – тоже табличный интеграл, нет никакого смысла представлять дробь в виде . Внимательно изучите таблицу!

(3) Все интегралы у нас табличные. Осуществляем превращение с помощью таблицы, используя формулы: , и .
Особое внимание обращаю на формулу интегрирования степенной функции , она встречается очень часто, ее лучше запомнить. Следует отметить, что табличный интеграл – частный случай этой же формулы: .
Константу достаточно приплюсовать один раз в конце выражения (а не ставить их после каждого интеграла).
(4) Записываем полученный результат в более компактном виде, все степени вида снова представляем в виде корней, степени с отрицательным показателем – сбрасываем обратно в знаменатель.

Проверка. Для того чтобы выполнить проверку нужно продифференцировать полученный ответ:

Получена исходная подынтегральная функция, значит, интеграл найден правильно. От чего плясали, к тому и вернулись. Знаете, очень хорошо, когда история с интегралом заканчивается именно так.

Время от времени встречается немного другой подход к проверке неопределенного интеграла, от ответа берется не производная, а дифференциал:

Кто с первого семестра понял, тот понял, но сейчас нам важны не теоретические тонкости, а важно то, что с этим дифференциалом дальше делать. Его необходимо раскрыть, и с формально-технической точки зрения – это почти то же самое, что найти производную. Дифференциал раскрывается следующим образом: значок убираем, справа над скобкой ставим штрих, в конце выражения приписываем множитель :

Получено исходное подынтегральное выражение, значит, интеграл найден правильно.

Второй способ проверки мне нравится меньше, так как приходится дополнительно рисовать большие скобки и тащить значок дифференциала до конца проверки. Хотя он корректнее или «солиднее» что ли.

На самом деле я вообще мог умолчать о втором способе проверки. Дело не в способе, а в том, что мы научились раскрывать дифференциал. Еще раз.

Дифференциал раскрывается следующим образом:

1) значок убираем;
2) справа над скобкой ставим штрих (обозначение производной);
3) в конце выражения приписываем множитель .

Запомните это. Рассмотренный приём потребуется нам очень скоро.

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

Это пример для самостоятельно решения. Ответ и полное решение в конце урока.

Когда мы находим неопределенный интеграл, то ВСЕГДА стараемся сделать проверку, тем более, для этого есть прекрасная возможность. Далеко не все типы задач в высшей математике является подарком с этой точки зрения. Неважно, что часто в контрольных заданиях проверки не требуется, её никто, и ничто не мешает провести на черновике. Исключение можно сделать лишь тогда, когда не хватает времени (например, на зачете, экзамене). Лично я всегда проверяю интегралы, а отсутствие проверки считаю халтурой и некачественно выполненным заданием.

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

Решение: Анализируя интеграл, мы видим, что у нас произведение двух функций, да еще и возведение в степень целого выражения. К сожалению, на поприще интегральной битвы нет хороших и удобных формул для интегрирования произведения и частного , .

А поэтому, когда дано произведение или частное, всегда имеет смысл посмотреть, а нельзя ли преобразовать подынтегральную функцию в сумму?

Рассматриваемый пример – тот случай, когда можно. Сначала я приведу полное решение, комментарии будут ниже.

(1) Используем старую-добрую формулу квадрата суммы , избавляясь от степени.

(2) Вносим в скобку, избавляясь от произведения.

(4) Превращаем интегралы по табличной формуле .

(5) Упрощаем ответ. Здесь следует обратить внимание на обыкновенную неправильную дробь – она несократима и в ответ входит именно в таком виде. Не нужно делить на калькуляторе ! Не нужно представлять ее в виде !

Получена исходная подынтегральная функция, значит, интеграл найден правильно.

В ходе проверки функцию всегда желательно «упаковать» до первоначального вида, вынося в данном случае за скобки и применяя формулу сокращенного умножения в обратном направлении:

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

Это пример для самостоятельно решения. Ответ и полное решение в конце урока.

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

В данном примере подынтегральная функция представляет собой дробь. Когда мы видим в подынтегральном выражении дробь, то первой мыслью должен быть вопрос: А нельзя ли как-нибудь от этой дроби избавиться, или хотя бы её упростить?

Замечаем, что в знаменателе находится одинокий корень из «икс». Один в поле – не воин, а значит, можно почленно разделить числитель на знаменатель:

Действия с дробными степенями я не комментирую, так как о них неоднократно шла речь в статьях о производной функции. Если Вас все-таки ставит в тупик такой пример, как , и ни в какую не получается правильный ответ , то рекомендую обратиться к школьным учебникам. В высшей математике дроби и действия с ними встречаются на каждом шагу.

Читайте также:  Основные события франко прусской войны таблица

Также обратите внимание, что в решении пропущен один шаг, а именно, применение правил , . Обычно уже при начальном опыте решения интегралов данные свойства считают само собой разумеющимися и не расписывают подробно.

Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.

Это пример для самостоятельно решения. Ответ и полное решение в конце урока.

В общем случае с дробями в интегралах не всё так просто, дополнительный материал по интегрированию дробей некоторых видов можно найти в статье Интегрирование некоторых дробей.

! Но, прежде чем перейти к вышеуказанной статье, необходимо ознакомиться с уроком Метод замены в неопределенном интеграле. Дело в том, что подведение функции под дифференциал или метод замены переменной является ключевым моментом в изучении темы, поскольку встречается не только «в чистых заданиях на метод замены», но и во многих других разновидностях интегралов.

Очень хотелось включить еще несколько примеров в данный урок, но вот сижу сейчас, печатаю этот текст в Вёрде и замечаю, что статья уже выросла до приличных размеров.
А поэтому вводный курс интегралов для чайников подошел к концу.

Решения и ответы:

Пример 2: Решение:

Пример 4: Решение:

В данном примере мы использовали формулу сокращенного умножения

Пример 6: Решение:

Я выполнил проверку, а Вы? 😉

Автор: Емелин Александр

(Переход на главную страницу)

«Всё сдал!» — онлайн-сервис помощи студентам

Источник

Интегралы для чайников: как решать, правила вычисления, объяснение

Решение интегралов – задача легкая, но только для избранных. Эта статья для тех, кто хочет научиться понимать интегралы, но не знает о них ничего или почти ничего. Интеграл. Зачем он нужен? Как его вычислять? Что такое определенный и неопределенный интегралы?

Если единственное известное вам применение интеграла – доставать крючком в форме значка интеграла что-то полезное из труднодоступных мест, тогда добро пожаловать! Узнайте, как решать простейшие и другие интегралы и почему без этого никак нельзя обойтись в математике.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Изучаем понятие « интеграл »

Интегрирование было известно еще в Древнем Египте. Конечно, не в современном виде, но все же. С тех пор математики написали очень много книг по этой теме. Особенно отличились Ньютон и Лейбниц, но суть вещей не изменилась.

Как понять интегралы с нуля? Никак! Для понимания этой темы все равно понадобятся базовые знания основ математического анализа. Сведения о пределах и производных, необходимые и для понимания интегралов, уже есть у нас в блоге.

Неопределенный интеграл

Пусть у нас есть какая-то функция f(x).

Неопределенным интегралом функции f(x) называется такая функция F(x), производная которой равна функции f(x).

математика для чайников интегралы

Другими словами интеграл – это производная наоборот или первообразная. Кстати, о том, как вычислять производные, читайте в нашей статье.

Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц

Первообразная существует для всех непрерывных функций. Также к первообразной часто прибавляют знак константы, так как производные функций, различающихся на константу, совпадают. Процесс нахождения интеграла называется интегрированием.

Простой пример:

найти интегралы для чайников

Чтобы постоянно не высчитывать первообразные элементарных функций, их удобно свести в таблицу и пользоваться уже готовыми значениями.

Полная таблица интегралов для студентов

Первообразные элементарных функций

Определенный интеграл

Имея дело с понятием интеграла, мы имеем дело с бесконечно малыми величинами. Интеграл поможет вычислить площадь фигуры, массу неоднородного тела, пройденный при неравномерном движении путь и многое другое. Следует помнить, что интеграл – это сумма бесконечно большого количества бесконечно малых слагаемых.

В качестве примера представим себе график какой-нибудь функции.

Определенный интеграл - площадь фигуры

Как найти площадь фигуры, ограниченной графиком функции? С помощью интеграла! Разобьем криволинейную трапецию, ограниченную осями координат и графиком функции, на бесконечно малые отрезки. Таким образом фигура окажется разделена на тонкие столбики. Сумма площадей столбиков и будет составлять площадь трапеции. Но помните, что такое вычисление даст примерный результат. Однако чем меньше и уже будут отрезки, тем точнее будет вычисление. Если мы уменьшим их до такой степени, что длина будет стремиться к нулю, то сумма площадей отрезков будет стремиться к площади фигуры. Это и есть определенный интеграл, который записывается так:


Точки а и b называются пределами интегрирования.

Бари Алибасов и группа Бари Алибасов и группа

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Правила вычисления интегралов для чайников

Свойства неопределенного интеграла

Как решить неопределенный интеграл? Здесь мы рассмотрим свойства неопределенного интеграла, которые пригодятся при решении примеров.

  • Производная от интеграла равна подынтегральной функции:

как решать определенный интеграл для чайников

  • Константу можно выносить из-под знака интеграла:

интегралы начало

  • Интеграл от суммы равен сумме интегралов. Верно также для разности:

как решать интегралы для чайников

Свойства определенного интеграла

интегралы для чайников подробно

  • Знак интеграла изменяется, если поменять местами пределы интегрирования:

интегралы для чайников подробно

  • При любых точках a, b и с:

высшая математика для чайников интегралы

Как считать определенный интеграл? С помощью формулы Ньютона-Лейбница.

Мы уже выяснили, что определенный интеграл – это предел суммы. Но как получить конкретное значение при решении примера? Для этого существует формула Ньютона-Лейбница:

Формула Ньютона-Лейбница

Примеры решения интегралов

Ниже рассмотрим неопределенный интеграл и примеры с решением. Предлагаем самостоятельно разобраться в тонкостях решения, а если что-то непонятно, задавайте вопросы в комментариях.

Примеры

Для закрепления материала посмотрите видео о том, как решаются интегралы на практике. Не отчаиваетесь, если интеграл не дается сразу. Обратитесь в профессиональный сервис для студентов, и любой тройной или криволинейный интеграл по замкнутой поверхности станет вам по силам.

  • Контрольная работа от 1 дня / от 100 р. Узнать стоимость
  • Дипломная работа от 7 дней / от 7950 р. Узнать стоимость
  • Курсовая работа 5 дней / от 1800 р. Узнать стоимость
  • Реферат от 1 дня / от 700 р. Узнать стоимость

Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Непосредственное интегрирование (интегрирование по таблице и с использованием простейших свойств).

В этой теме мы подробно поговорим о свойствах неопределённого интеграла и о нахождении самих интегралов с помощью упомянутых свойств. Также поработаем с таблицей неопределенных интегралов. Материал, изложенный здесь, есть продолжение темы «Неопределённый интеграл. Начало». Честно говоря, в контрольных работах редко встречаются интегралы, которые можно взять с использованием типичных таблиц и(или) простейших свойств. Эти свойства можно сравнить с азбукой, знание и разумение которой необходимы для понимания механизма решения интегралов в иных темах. Часто интегрирование с использованием таблиц интегралов и свойств неопределённого интеграла именуют непосредственным интегрированием.

Итак, начнём с таблицы неопределённых интегралов. В ней указаны восемнадцать формул, которых, в принципе, должно хватить для интегралов стандартного университетского курса. Однако эта таблица далеко не полна, ибо в справочниках указаны сотни или даже тысячи неопределенных инегралов. Можете заглянуть, например, в справочник под редакцией Бронштейна и Семендяева, где начиная с 91й страницы находятся 515 неопределенных интегралов. Начнём пока с малого, – а потом поговорим, почему указанные таблицы столь обширны.

Само применение таблицы интегралов основано на свойстве, которое часто именуют инвариантностью неопределённого интеграла. В несколько упрощённой форме это свойство можно сформулировать так:

Пусть $\int f(x)dx=F(x)+C$ и $u=\varphi (x)$ – некоторая функция, имеющая непрерывную производную на соответствующем промежутке. Тогда $\int f(u)du=F(u)+C$.

Грубо говоря, это свойство означает следующее: в формулах таблицы интегралов вместо буквы, обозначающей переменную, может располагаться функция, – формула останется верной. Проиллюстрируем работу с таблицей интегралов на примерах.

Найти $\int \cos 2t \; d(2t)$.

Обратимся к таблице неопределённых интегралов. Полагаю, не составит особого труда найти формулу, которая подходит в данном случае. Естественно, такой формулой есть №6, т.е. $\int \cos u \; du=\sin u+C$. Да, в этой формуле используется буква $u$, а в нашем интеграле на месте $u$ расположено выражение $2t$, но на этом все различия и заканчиваются. Подставим в табличную в формулу $\int \cos u \; du=\sin u+C$ вместо $u$ выражение $2t$: $\int \cos 2t \; d(2t)=\sin 2t+C$. Решение закончено, ответ получен. Естественно, что такой «словесный» способ решения несколько непрактичен, поэтому в следующем примере поговорим про использование формальной записи.

Ответ: $\int \cos 2t \; d(2t)=\sin 2t+C$.

Вновь обратимся к таблице интегралов. Чтобы выбор формулы стал очевидным, давайте заменим буквой $u$ выражение $3\sin x+25\cdot x^2$, которое стоит в степени числа $e$ и под дифференциалом. Тогда интеграл $\int e^ <3\sin x+25\cdot x^2>d (3\sin x+25\cdot x^2)$ станет гораздо более скромным: $\int e^u du$. Теперь вновь обратимся к таблице, – и сразу заметим нужную формулу. Я имею в виду формулу №4, которая гласит, что $\int e^u du=e^u+C$. Подставляя в эту формулу вместо переменной $u$ наше выражение $3\sin x+25\cdot x^2$, мы получим ответ:

Полагаю, что имеет смысл записать всё сказанное в этом примере немного более формально:

Пару слов насчёт этой формальной записи. Обозначение $|u=3\sin x+25\cdot x^2|$ говорит о том, что была сделана подстановка (вместо выражения $3\sin x+25\cdot x^2$ подставили букву $u$). После того, как мы сделали замену и взяли интеграл, нужно вернуть обратно исходную переменную $x$, подставив вместо $u$ выражение $3\sin x+25\cdot x^2$.

Возможно, к этому моменту у читателя может возникнуть пару вопросов, посему постараюсь их предугадать и сразу дать ответы.

Минутку. Почему вы используете прямые скобки для обозначения подстановки? Наш преподаватель использует фигурные скобки $\< \>$.

И это совершенно нормально. Разные авторы используют разные обозначения, – кому что больше нравится. Главное, чтобы эти обозначения были понятными читателю.

Читайте также:  Таблица виды образования биология

В предыдущей теме вы говорили, что операция интегрирования есть обратная к операции нахождения производных, т.е. дифференцирования. Я открыл справочник Бронштейна, но таблица производных на странице 226 гораздо скромнее, чем таблица интегралов в том же справочнике: всего 32 формулы. А в таблице интегралов более пятисот формул!

Да, этот вопрос действительно крайне важен. Более того, даже 500 формул – не столь значительное количество для интегральных таблиц. Проблема в том, что для нахождения производных существуют очень удобные общие формулы, которых нет для неопределённых интегралов. Поясним это чуть подробнее. Сравним нахождение интеграла и производной. Допустим, нам нужно найти производную функции $y=x^2\cdot \sin 3x$. Мы используем готовую формулу $(u\cdot v)’=u’\cdot v+u\cdot v’$, в которую подставим $u=x^2$, $v=\sin 3x$. Чтобы взять интеграл от той же функции, т.е. $\int x^2\cdot \sin3xdx$, придется применять метод интегрирования по частям (сейчас нет необходимости детально исследовать этот приём интегрирования, ибо нам важна общая картина).

Теперь, допустим, что нужно найти производную от функции $y=(2x^2+3)\cdot\frac<1><7x^4+3x^2-1>$. Мы будем применять ту же формулу $(u\cdot v)’=u’\cdot v+u\cdot v’$, что и в предыдущем случае. Подставим в неё $u=2x^2+3$, $v=\frac<1><7x^4+3x^2-1>$ и получим ответ. Но чтобы найти интеграл от той же функции, т.е. $\int (2x^2+3)\cdot\frac<1><7x^4+3x^2-1>dx$ нам придется уже использовать методику интегрирования дробно-рациональных функций.

К чему я веду: функции меняются, но формула для нахождения производной остаётся неизменной, – в отличие от интеграла, для которого уже пришлось перечислить два метода.

Пойдём дальше. Чтобы найти производную $y=x^<-\frac<1><2>>\cdot(1+x^<\frac<1><4>>)^\frac<1><3>$ применима всё та же формула $(u\cdot v)’=u’\cdot v+u\cdot v’$, в которую придётся подставить $u=x^<-\frac<1><2>>$, $v=(1+x^<\frac<1><4>>)^\frac<1><3>$. А вот чтобы найти интеграл $\int x^<-\frac<1><2>>\cdot(1+x^<\frac<1><4>>)^\frac<1> <3>dx$ потребуется применение нового метода – подстановок Чебышева.

Ну и напоследок: для нахождения производной функции $y=\sin x\cdot\frac<1>$ вновь применима формула $(u\cdot v)’=u’\cdot v+u\cdot v’$, в которую вместо $u$ и $v$ подставим соответственно $\sin x$ и $\frac<1>$. А вот $\int \sin x\cdot\frac<1> dx$ не берётся. Точнее, не выражается через конечное число элементарных функций.

Подведём итоги: там, где для нахождения производной понадобилась одна формула, для интеграла потребовались четыре (и это не предел), – причем в последнем случае интеграл находиться отказался вообще. Изменили функцию – понадобился новый метод интегрирования. Вот отсюда и имеем многостраничные таблицы в справочниках. Отсутствие общего метода (пригодного для решения «вручную») приводит к изобилию частных методик, которые применимы лишь для интегрирования своего, крайне ограниченного класса функций (в дальнейших темах мы займёмся этими методами подробно). Хотя не могу не отметить наличие алгоритма Риша (советую почитать описание в Википедии), но он пригоден лишь для программной обработки неопределённых интегралов.

Но если этих свойств так много, как же мне научиться брать интегралы? С производными было полегче!

Для человека пока существует лишь один способ: решить как можно больше примеров на применение различных методик интегрирования, чтобы при появлении нового неопределённого интеграла можно было подобрать для него метод решения, основываясь на своём опыте. Понимаю, что ответ не слишком обнадёживает, но иного нет.

Свойства неопределённого интеграла

Производная от неопределенного интеграла равна подынтегральной функции, т.е. $\left(\int f(x) dx\right)’=f(x)$.

Это свойство вполне естественно, ибо интеграл и производная – взаимно обратные операции. Примеры:

Неопределённый интеграл от дифференциала некоторой функции равен этой функции, т.е. $\int \mathrm d F(x) =F(x)+C$.

Обычно данное свойство воспринимается несколько затруднительно, поскольку кажется, что под интегралом «ничего нет». Чтобы этого избежать, можно записать указанное свойство так: $\int 1\mathrm d F(x) =F(x)+C$. Пример применения этого свойства: $\int \mathrm d(3x^2+e^x+4)=3x^2+e^x+4+C$ или, если угодно, в такой форме: $\int 1\; \mathrm d(3x^2+e^x+4) =3x^2+e^x+4+C$.

Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла, т.е. $\int a\cdot f(x) dx=a\cdot\int f(x) dx$ (полагаем, что $a\neq 0$).

Свойство довольно простое и, пожалуй, комментариев не требует. Примеры: $\int 3x^5 dx=3\cdot \int x^5 dx$, $\int (2x+4e^<7x>) dx=2\cdot\int(x+2e^<7x>)dx$, $\int kx^2dx=k\cdot\int x^2dx$ ($k\neq 0$).

Интеграл суммы (разности) двух функций равен сумме (разности) интегралов от этих функций:

$$\int(f_1(x)\pm f_2(x))dx=\int f_1(x)dx\pm\int f_2(x)dx$$

Примеры: $\int(\cos x+x^2)dx=\int \cos xdx+\int x^2 dx$, $\int( e^x — \sin x)dx=\int e^xdx -\int \sin x dx$.

В стандартных контрольных работах обычно применяются свойства №3 и №4, вот на них мы и остановимся поподробнее.

Найти $\int 3 e^x dx$.

Используем свойство №3 и вынесем константу, т.е. число $3$, за знак инеграла: $\int 3 e^x dx=3\cdot\int e^x dx$. Теперь откроем таблицу интегралов и подставив в формулу №4 $u=x$ получим: $\int e^x dx=e^x+C$. Отсюда следует, что $\int 3 e^x dx=3\cdot\int e^x dx=3e^x+C$. Предполагаю, что тут сразу возникнет вопрос у читателя, поэтому сформулирую этот вопрос отдельно:

Если $\int e^x dx=e^x+C$, то получим:

$$\int 3 e^x dx=3\cdot\int e^x dx=3\cdot\left(e^x+C\right)=3e^x+3C.$$

Почему вместо $3e^x+3C$ записали просто $3e^x+C$?

Вопрос совершенно разумен. Дело в том, что интегральную константу (т.е. то самое число $C$) можно представлять в виде любого выражения: главное, чтобы это выражение «пробегало» все множество действительных чисел, т.е. изменялось в пределах от $-\infty$ до $+\infty$. Например, если $-\infty≤ C ≤ +\infty$, то $-\infty≤ \frac <3>≤ +\infty$, поэтому константа $C$ представима в форме $\frac<3>$. Можно записать, что $\int e^x dx=e^x+\frac<3>$ и тогда получим

$$\int 3 e^x dx=3\cdot\int e^x dx=3\cdot\left(e^x+\frac<3>\right)=3e^x+C.$$

Как видите, никакого противоречия здесь нет, но нужно соблюдать осторожность при изменении формы интегральной константы. Например, если представить константу $C$ в виде $C^2$, это будет ошибкой. Дело в том, что $C^2 ≥ 0$, т.е. $C^2$ не изменяется от $-\infty$ до $+\infty$, не «пробегает» все действительные числа. Точно так же будет ошибкой представлять константу в виде $\sin C$, потому что $-1≤ \sin C ≤ 1$, т.е. $\sin C$ не «пробегает» всех значений действительной оси. В дальнейшем этот вопрос оговаривать особо не будем, а станем просто писать константу $C$ для каждого неопределённого интеграла.

Найти $\int\left( 4\sin x-\frac<17>-8x^3 \right)dx$.

Используем свойство №4:

$$\int\left( 4\sin x-\frac<17>-8x^3 \right) dx=\int 4\sin x dx-\int\frac<17>dx-\int8x^3dx$$

Теперь вынесем константы (числа) за знаки интегралов:

$$\int 4\sin x dx-\int\frac<17>dx-\int8x^3dx=4\int \sin x dx-17\int\frac-8\int x^3dx$$

Далее поработаем с каждым полученным интегралом по отдельности. Первый интеграл, т.е. $\int \sin x dx$, легко отыскать в таблице интегралов под №5. Подставляя в формулу №5 $u=x$ получим: $\int \sin x dx=-\cos x+C$.

Для нахождения второго интеграла $\int\frac$ нужно применить формулу №11 из таблицы интегралов. Подставляя в неё $u=x$ и $a=3$ получим: $\int\frac=\frac<1><3>\cdot \arctg\frac<3>+C$.

И, наконец, для нахождения $\int x^3dx$ используем формулу №1 из таблицы, подставив в неё $u=x$ и $\alpha=3$: $\int x^3dx=\frac><3+1>+C=\frac<4>+C$.

Все интегралы, входящие в выражение $4\int \sin x dx-17\int\frac-8\int x^3dx$, найдены. Осталось лишь подставить их:

$$4\int \sin x dx-17\int\frac-8\int x^3dx=4\cdot(-\cos x)-17\cdot\frac<1><3>\cdot\arctg\frac<3>-8\cdot\frac<4>+C=\\ =-4\cdot\cos x-\frac<17><3>\cdot\arctg\frac<3>-2\cdot x^4+C.$$

Задача решена, ответ таков:

$$\int\left( 4\sin x-\frac<17>-8x^3 \right)dx=-4\cdot\cos x-\frac<17><3>\cdot\arctg\frac<3>-2\cdot x^4+C.$$

Добавлю всё же одно маленькое примечание к этой задаче:

Совсем маленькое примечание

Возможно, эта вставка никому не понадобится, но всё-таки упомяну, что $\frac<1>\cdot dx=\frac$. Т.е.

Разберём пример, в котором используем формулу №1 из таблицы интегралов для интерирования иррациональностей (корней, проще говоря).

Для начала проделаем те же действия, что и в примере №3, а именно: разложим интеграл на два и вынесем константы за знаки интегралов:

Для нахождения данного интеграла применим формулу №1, подставив в нее $u=x$ и $\alpha=\frac<7><8>$:

При желании можно представить $\sqrt[8]>$ как $x\cdot\sqrt[8]>$, но это не обязательно.

Обратимся теперь к второму интегралу, т.е. $\int\frac<\sqrt[11]>$. Так как $\frac<1><\sqrt[11]>=x^<-\frac<6><11>>$, то рассматриваемый интеграл можно представить в такой форме:

Для нахождения полученного интеграла применим формулу №1 из таблицы интегралов, подставив в неё $u=x$ и $\alpha=-\frac<6><11>$:

Подставляя полученные результаты, получим ответ:

И, наконец, возьмём интеграл, подпадающий под формулу №9 таблицы интегралов. Пример №6, к которому мы сейчас перейдём, можно бы решить и иным способом, но об этом пойдёт речь в последующих темах. Пока что будем оставаться в рамках применения таблицы.

Для начала проделаем ту же операцию, что и ранее: вынесение константы (числа $12$) за знак интеграла:

Полученный интеграл $\int\frac<\sqrt<15-7x^2>>$ уже близок к табличному $\int\frac<\sqrt>$ (формула №9 таблицы интегралов). Отличие нашего интеграла в том, что перед $x^2$ под корнем стоит коэффициент $7$, которого табличный интеграл не допускает. Следовательно, нужно избавиться от этой семёрки, вынеся её за знак корня:

Если сравнить табличный интеграл $\int\frac<\sqrt>$ и $\int\frac<\sqrt<\frac<15><7>-x^2>>$ становится видно, что они имеют одинаковую структуру. Только в интеграле $\int\frac<\sqrt<\frac<15><7>-x^2>>$ вместо $u$ стоит $x$, а вместо $a^2$ стоит $\frac<15><7>$. Что ж, если $a^2=\frac<15><7>$, то $a=\sqrt<\frac<15><7>>$. Подставляя $u=x$ и $a=\sqrt<\frac<15><7>>$ в табличный интеграл, получим такой результат:

Если учесть, что $\sqrt<\frac<15><7>>=\frac<\sqrt<15>><\sqrt<7>>$, то результат можно переписать без «трёхэтажных» дробей:

Задача решена, ответ получен.

Для интегрирования тригонометрических функций есть свои методы. Однако в данном случае можно обойтись знанием простых тригонометрических формул. Так как $\tg x=\frac<\sin x><\cos x>$, то

Учитывая $\sin^2x=1-\cos^2x$, получим:

Раскладывая полученный интеграл на сумму интегралов и применяя табличные формулы, будем иметь:

Источник

Adblock
detector