Математический анализ

Первообразные

Цели урока

  • Понять связь между первообразной и производной
  • Освоить таблицу основных интегралов
  • Применять свойства линейности интеграла
  • Вычислять неопределённые интегралы базовых функций
  • Проверять результат интегрирования дифференцированием

Предварительные знания

  • Производные элементарных функций
  • Правила дифференцирования
  • Цепное правило
  • The Concept of the Derivative
  • Differentiation Rules
  • Derivative of a Composite Function

Спор о приоритете между Ньютоном и Лейбницем (1699–1716) расколол британскую и континентальную математику на век. Ньютон называл это «методом флюэнт» — обратной операцией к флюксиям. Лейбниц нашёл символ $\int$ из вытянутой буквы S (summa). Сегодня тот же значок означает одно: восстановить функцию по её скорости изменения. Каждая физическая задача — от траектории ракеты до накопленной радиации в реакторе — это поиск первообразной.

  • **NASA Artemis (2022)**: расчёт траектории Orion — двойное интегрирование ускорения двигателей и гравитации. Ошибка в первообразной — это промах в десятки километров на 400 000 км пути
  • **Аккумулятор Tesla Powerwall**: ёмкость в кВт·ч — интеграл мощности по времени, $E = \int_0^T P(t)\,dt$. Биллинг электричества буквально вычисляет первообразную
  • **Доза радиации (Зв)**: накопленная доза — интеграл мощности дозы $\dot{D}(t)$ по времени экспозиции. ICRP-103 регламентирует именно эту первообразную для работников АЭС
  • **Sympy.integrate**: реализует алгоритм Риша (1968) — частичный аналог решения уравнений в радикалах для интегралов. Возвращает либо closed form, либо честное «не существует в элементарных функциях»

Два пути к интегралу

Ньютон назвал первообразную "флюентой" (от лат. fluens - текущий), а Лейбниц ввёл символ ∫ - стилизованную букву S от латинского "summa". Оба независимо открыли, что интегрирование и дифференцирование - обратные операции. Это открытие, известное как **Основная теорема анализа**, объединило две казавшиеся разными задачи: нахождение касательных и вычисление площадей.

Что такое первообразная?

Что такое первообразная?

Рассмотрим скорость автомобиля $v(t)$, заданную в каждый момент времени. Как найти путь $s(t)$? Нужна функция, производная которой равна скорости: $s'(t) = v(t)$.

**Определение**: функция $F(x)$ называется **первообразной** для $f(x)$ на интервале, если в каждой точке этого интервала: $$F'(x) = f(x)$$

Интегрирование - операция, **обратная дифференцированию**. Если производная "разбирает" функцию, показывая скорость изменения, то интеграл "собирает" обратно.

Простейшие первообразные

Проверяем дифференцированием

**Задача**: найти первообразную для $f(x) = 2x$ **Решение**: ищем $F(x)$ такую, что $F'(x) = 2x$ Вспомним: $(x^2)' = 2x$ ✓ Значит $F(x) = x^2$ - первообразная для $f(x) = 2x$ **Но!** $(x^2 + 5)' = 2x$ тоже! ✓ И $(x^2 - 100)' = 2x$ ✓ Первообразных **бесконечно много**: $F(x) = x^2 + C$

Какая из функций является первообразной для $f(x) = 3x^2$?

$(x^3)' = 3x^2$ и $(x^3 + 7)' = 3x^2$. Обе функции - первообразные, они отличаются на константу.

Неопределённый интеграл

Неопределённый интеграл

Поскольку первообразных бесконечно много (отличаются константой), вводят понятие **неопределённого интеграла** - множества всех первообразных:

Здесь: - $\int$ - знак интеграла (удлинённая S от summa) - $f(x)$ - подынтегральная функция - $dx$ - дифференциал переменной (указывает, по чему интегрируем) - $F(x)$ - какая-либо первообразная - $C$ - произвольная постоянная

**Почему $+C$ обязательна?** Производная константы равна нулю: $(C)' = 0$. Поэтому если $F'(x) = f(x)$, то и $(F(x) + C)' = f(x)$ для любой константы $C$.

Геометрически: все первообразные $F(x) + C$ - это **параллельный сдвиг** одного графика вдоль оси $y$. Они имеют одинаковый наклон в каждой точке (производную), но расположены на разной высоте.

Константу C можно не писать, это же просто число

Константа C - существенная часть ответа, без неё решение неполное

Неопределённый интеграл - это МНОЖЕСТВО функций, а не одна функция. Запись $F(x) + C$ показывает всё семейство. На практике: начальные условия задачи определяют конкретное значение $C$.

Чему равен $\int 0\,dx$?

Первообразная для нуля - любая константа, так как $(C)' = 0$. Поэтому $\int 0\,dx = C$.

Таблица основных интегралов

Таблица основных интегралов

Таблица интегралов - это таблица производных, прочитанная "наоборот". Если знаете, что $(\sin x)' = \cos x$, то $\int \cos x\,dx = \sin x + C$.

Степенные функции

Функция $f(x)$Интеграл $\int f(x)\,dx$Условие
$x^n$$\frac{x^{n+1}}{n+1} + C$$n \neq -1$
$\frac{1}{x} = x^{-1}$$\ln|x| + C$$x \neq 0$
$\frac{1}{\sqrt{x}} = x^{-1/2}$$2\sqrt{x} + C$$x > 0$

**Мнемоника для степени**: "Увеличь показатель на 1, раздели на новый показатель". $\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}$ (при $n \neq -1$)

Показательные функции

Функция $f(x)$Интеграл $\int f(x)\,dx$
$e^x$$e^x + C$
$a^x$ ($a > 0, a \neq 1$)$\frac{a^x}{\ln a} + C$

Тригонометрические функции

Функция $f(x)$Интеграл $\int f(x)\,dx$
$\sin x$$-\cos x + C$
$\cos x$$\sin x + C$
$\frac{1}{\cos^2 x} = \sec^2 x$$\tan x + C$
$\frac{1}{\sin^2 x} = \csc^2 x$$-\cot x + C$

**Внимание со знаками!** - $\int \sin x\,dx = -\cos x + C$ (минус!) - $\int \frac{1}{\sin^2 x}\,dx = -\cot x + C$ (минус!)

Интегралы, дающие обратные тригонометрические функции

Функция $f(x)$Интеграл $\int f(x)\,dx$
$\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$$\arcsin x + C$
$-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$$\arccos x + C$
$\frac{1}{1+x^2}$$\arctan x + C$
$-\frac{1}{1+x^2}$$\text{arccot}\,x + C$

Чему равен $\int x^{-3}\,dx$?

По формуле: $\int x^{-3}\,dx = \frac{x^{-2}}{-2} + C = -\frac{1}{2x^2} + C$. Это один и тот же ответ в разных записях.

Свойства неопределённого интеграла

Свойства неопределённого интеграла

Интеграл обладает свойством **линейности** - это следует из линейности производной.

1. Интеграл суммы = сумма интегралов

2. Константу можно выносить

3. Интеграл и производная - обратные операции

Применение линейности

Интеграл многочлена

$\int (3x^2 + 2x - 5)\,dx$ **Шаг 1**: Разбиваем на слагаемые $= \int 3x^2\,dx + \int 2x\,dx - \int 5\,dx$ **Шаг 2**: Выносим константы $= 3\int x^2\,dx + 2\int x\,dx - 5\int 1\,dx$ **Шаг 3**: Применяем таблицу $= 3 \cdot \frac{x^3}{3} + 2 \cdot \frac{x^2}{2} - 5x + C$ **Шаг 4**: Упрощаем $= x^3 + x^2 - 5x + C$ **Проверка**: $(x^3 + x^2 - 5x + C)' = 3x^2 + 2x - 5$ ✓

Приведение к табличному виду

Преобразуем перед интегрированием

$\int \frac{x^2 + 1}{x}\,dx$ **Шаг 1**: Разделим каждое слагаемое $= \int \left( x + \frac{1}{x} \right)\,dx$ **Шаг 2**: Интегрируем $= \int x\,dx + \int \frac{1}{x}\,dx$ $= \frac{x^2}{2} + \ln|x| + C$

Чему равен $\int (e^x - \sin x)\,dx$?

$\int e^x\,dx = e^x$, $\int \sin x\,dx = -\cos x$. Итого: $e^x - (-\cos x) = e^x + \cos x + C$.

Проверка результата

Проверка результата

В отличие от производных, у интегрирования нет универсального алгоритма. Но есть **идеальный способ проверки**: продифференцируйте ответ!

**Золотое правило**: если $\int f(x)\,dx = F(x) + C$, то обязательно $F'(x) = f(x)$

Проверка интеграла

Дифференцируем результат

**Утверждение**: $\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C$ **Проверка**: $(\arctan x + C)' = \frac{1}{1+x^2} + 0 = \frac{1}{1+x^2}$ ✓ Ответ верен!

**Совет**: Всегда проверяйте сложные интегралы дифференцированием. Это занимает минуту, но спасает от ошибок!

В чём ключевая идея раздела «Проверка результата»?

Перескажите главное определение или результат раздела одним предложением.

Путь к определённому интегралу

Первообразные - это первый шаг в интегральном исчислении:

  • Определённый интеграл — Площадь под графиком - следующий урок
  • Основная теорема анализа — Связь между площадью и первообразной
  • Методы интегрирования — Замена переменной, по частям, дроби
  • Дифференциальные уравнения — Нахождение функции по её производной

Итоги

  • **Первообразная**: $F'(x) = f(x)$ - функция, производная которой равна данной
  • **Неопределённый интеграл**: $\int f(x)\,dx = F(x) + C$ - семейство всех первообразных
  • **Константа $C$**: обязательна, показывает бесконечность первообразных
  • **Линейность**: $\int (af + bg)\,dx = a\int f\,dx + b\int g\,dx$
  • **Проверка**: дифференцирование ответа должно давать подынтегральную функцию

Вопросы для размышления

  • Почему интегрирование сложнее дифференцирования (нет универсального алгоритма)?
  • В чём геометрический смысл произвольной константы $C$?
  • Как связаны таблица производных и таблица интегралов?
  • Почему формула $\int x^n\,dx$ не работает при $n = -1$?

Связанные уроки

  • prob-10-continuous
Первообразные

0

1

Войти