44. Дать определение неопределенного интеграла. Сформулировать основные свойства неопределенного интеграла.

Если F(x) является первообразной для функции f (x) , то

выражение F(x) + C , называется неопределенным интегралом от функции

f (x) и обозначается символом ∫f (x)dx.

Таким образом, по определению ∫f (x)dx= F(x) + C , если F′(x)= f (x) .

При этом, знак ∫называют знаком интеграла, функцию f (x) называют

подынтегральной функцией, выражение f (x) называют подынтегральным

выражением. Операцию нахождения неопределенного интеграла называют

интегрированием функции. Проинтегрировать функцию значит найти все ее

первообразные.

Неопределенный интеграл представляет собой семейство функций

y = F(x) + C . Геометрически, это семейство кривых, каждая из которых

получается путем сдвига вдоль оси Oy. Эти кривые называют

интегральными кривыми.

Естественно возникает вопрос, для всякой ли функции существует

первообразная. Оказывается, что если f (x) непрерывна на интервале (a;b) , то

для нее существует первообразная F(x) на (a;b) , а следовательно, и

неопределенный интеграл ∫f (x)dx.

Свойства неопределенного интеграла

Свойство 1. Производная от неопределенного интеграла равна

подынтегральной функции (∫f (x)dx)′= f (x) .

Действительно пользуясь определением 1, имеем (∫f (x)dx)′=(F(x) + C)′= f (x) .

Свойство 2. Дифференциал от неопределенного интеграла равен

подынтегральному выражению d(∫f (x)dx) = f (x)dx.

В самом деле, по определению ∫f (x)dx= F(x) + C , тогда, вспоминая

определение дифференциала, имеем

d(∫f (x)dx) = d(F(x) + C)=(F(x) + C)′dx= F′(x)dx= f (x)dx.

Свойство 3. Неопределенный интеграл от дифференциала некоторой

функции равен этой функции плюс произвольная постоянная

∫dF(x) = F(x) + C .

По определению дифференциала функции dF(x) = F′(x) fx, тогда имеем,

∫dF(x) = ∫F′(x)dx = ∫f (x)dx = F(x) + C .

Свойство 4. Неопределенный интеграл от алгебраической суммы двух или

нескольких функций равен алгебраической сумме их интегралов

∫(f (x) + f (x))dx 1 2 = ∫f (x)dx 1 + ∫f (x)dx 2 .

Доказательство. По свойству 1 ( ( ( ) ( )) ) ( ) ( ) 1 2 1 2 ∫f x + f x dx′ = f x + f x . С другой

стороны (∫f (x)dx1 + ( ) ) 2 ∫f x dx′=(∫( ) )′ + (∫( ) )′ = ( ) + ( ) 1 2 1 2 f x dx f x dx f x f x .

Так как производные слева и справа равны, то функции отличаются на

постоянную величину. В этом смысле и следует понимать свойство 4.

Свойство 5. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла, т.е.,

если C = const, то ∫Сf(x)dx= С∫f (x)dx.

Доказательство. Найдем производные от левой и правой части

(∫Сf(x)dx)′=Сf(x), (C∫f (x)dx)′=C(∫f (x)dx)′ = Cf(x) .

Производные слева и справа равны, следовательно, функции стоящие

слева и справа отличаются только на постоянную величину.

45.В чем состоит сущность метода интегрирования по частям и замены переменной? Описать основные способы их применения.

Метод подстановки

Рассмотрим один из сильнейших методов интегрального исчисления –

метод замены переменной или подстановки.

Пусть требуется найти интеграл ∫f (x)dx. Причем, непосредственно

проинтегрировать мы не можем, но известно, что первообразная существует.

Сделаем замену переменной в подынтегральном выражении, положив

x =ϕ(t) , где ϕ(t) - непрерывна, ее производная ϕ′(t) непрерывна и имеет

обратную функцию. Тогда dx=ϕ′(t)dt. В этом случае имеет место равенство

∫f(x)dx=∫f (ϕ(t))ϕ′(t)dt.

Для доказательства найдем производные от обеих частей равенства. По

свойству 1 неопределенного интеграла (∫f (x)dx)′ = f (x)

Производную от правой части находим, считая, переменную x

функцией от переменной t . Учтя, что по правилу дифференцирования

обратной функции

dt/dx=1/ϕ′(t)находим производную по правилу

дифференцирования сложной функции

Метод интегрирования по частям

Пусть u=f(x) и v=g(x) две функции от x, имеющие непрерывные

производные u′ = f ′(x) и v′ = g′(x) . Тогда по правилу дифференцирования

произведения d(uv) = udv+ vdu, или udv= d(uv) −vdu.

Интегрируя обе части равенства, получаем ∫udv= ∫d(uv) −∫vdu.

Применив свойство 3 неопределенного интеграла, окончательно имеем

∫udv= uv−∫vdu.

Эта формула выражает правило интегрирования по частям. Оно заменяет

интегрирование выражения udv= uv′dx, интегрированием выражения

vdu= vu′dx. Поясним это примером.

Пример .Найти интеграл ∫x cosxdx.

Положим u = x , а dv= cosxdx, тогда du= dx, а v = ∫cosxdx= sinx .

Замечание: в выражении v мы можем брать любую постоянную, она в

конечный результат не входит, поэтому ее удобно считать равной нулю.

Применив формулу интегрирования по частям, имеем

∫xcosxdx= xsinx −∫sinxdx= xsinx −(−cosx) + C = xsinx + cosx + C .

Таким образом, интегрирование позволило заменить сложную

подынтегральную функцию x cosx на простую sinx . Попутно, для получения

v пришлось проинтегрировать выражение cosxdx- отсюда и название :

интегрирование по частям.

Применяя формулу интегрирования по частям к вычислению

предложенного интеграла, приходится разбивать подынтегральное

выражение на два множителя: u и dv. Из которых первый дифференцируется,

11

а второй интегрируется. Нужно стараться, чтобы интегрирование dvне

представляло трудностей и, чтобы vduимело более простой вид, чем udv.

При некотором навыке нет надобности, вводить обозначения u, v , и можно

сразу применять формулу интегрирования по частям..

Правило интегрирования по частям имеет более ограниченную область

применения, чем замена переменной. Но есть целые классы интегралов,

которые вычисляются с помощью интегрирования по частям. К ним

относятся интегралы:

1). ∫xksinxdx, ∫xkcosxdx, ∫xkeaxdx, при вычислении этих интегралов полагают

u = xk,

2). ∫xklnmxdx, в этом интеграле полагают u = lnmx ,

3). ∫xkarctgxdx, в этом интеграле полагают u = arctgx.