К содержанию

11 класс · ЕГЭ7 мин чтения

Первообразная и интеграл

Таблица первообразных, правила, формула Ньютона — Лейбница и площадь криволинейной трапеции.

Содержание

Первообразная — действие, обратное производной: по скорости восстанавливаем путь, по производной — функцию. Интеграл позволяет считать площади фигур, ограниченных кривыми. В ЕГЭ это встречается в задании №8, иногда по графику.

Определение

Функция $F(x)$ — первообразная для $f(x)$ на промежутке, если $F'(x) = f(x)$ для всех $x$ из промежутка. Все первообразные имеют вид $F(x) + C$.

Чтобы проверить, что первообразная найдена верно, достаточно её продифференцировать.

Таблица первообразных

Первообразные (без $+C$)

$f(x)$$F(x)$$f(x)$$F(x)$
$k$$kx$$\sin x$$-\cos x$
$x^n$, $n \ne -1$$\dfrac{x^{n+1}}{n+1}$$\cos x$$\sin x$
$\dfrac{1}{x}$$\ln|x|$$e^x$$e^x$
$\dfrac{1}{\sqrt{x}}$$2\sqrt{x}$$\dfrac{1}{\cos^2 x}$$\operatorname{tg} x$
$f(kx + b)$$\dfrac{1}{k} F(kx + b)$$a^x$$\dfrac{a^x}{\ln a}$

Пример 1.

Найдите общий вид первообразных для $f(x) = 6x^2 - 4x + 3$.

Решение. $F(x) = 2x^3 - 2x^2 + 3x + C$. Проверка: $F'(x) = 6x^2 - 4x + 3$.

Ответ: $2x^3 - 2x^2 + 3x + C$.

Пример 2.

Найдите первообразную $f(x) = 2x + 1$, график которой проходит через точку $(1;\ 5)$.

Решение. $F(x) = x^2 + x + C$. $F(1) = 2 + C = 5$, $C = 3$.

Ответ: $F(x) = x^2 + x + 3$.

Пример 3.

Найдите первообразную для $f(x) = \cos(2x - 1)$.

Решение. По правилу для линейного аргумента: $F(x) = \frac{1}{2}\sin(2x - 1) + C$.

Ответ: $\frac{1}{2}\sin(2x - 1) + C$.

Интеграл и площадь

Формула Ньютона — Лейбница: $$\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a).$$

Если $f(x) \ge 0$ на $[a;\ b]$, интеграл равен площади криволинейной трапеции под графиком.

Пример 4.

Вычислите $\displaystyle\int_1^3 (2x + 1)\,dx$.

Решение. $F(x) = x^2 + x$. $F(3) - F(1) = 12 - 2 = 10$.

Ответ: 10.

Пример 5.

Найдите площадь фигуры, ограниченной параболой $y = 4 - x^2$ и осью $Ox$.

Решение. Пересечения с осью: $x = \pm 2$, между ними функция положительна. $S = \int_{-2}^{2} (4 - x^2)\,dx = \left[4x - \frac{x^3}{3}\right]_{-2}^{2} = \left(8 - \frac{8}{3}\right) - \left(-8 + \frac{8}{3}\right) = 16 - \frac{16}{3} = \frac{32}{3}$.

Ответ: $\frac{32}{3} = 10\frac{2}{3}$.

Пример 6 (по графику первообразной).

$F(x)$ — первообразная функции $f(x)$, известно $F(2) = 7$ и $F(6) = 1$. Найдите $\int_2^6 f(x)\,dx$.

Решение. $F(6) - F(2) = 1 - 7 = -6$.

Ответ: −6.

Площадь между кривыми

Если на $[a;\ b]$ выполняется $g(x) \le f(x)$, площадь между графиками $S = \int_a^b (f(x) - g(x))\,dx$. Границы $a$ и $b$ — абсциссы точек пересечения графиков.

Ещё разборы

Пример 7 (площадь между кривыми).

Найдите площадь фигуры, ограниченной графиками $y = x^2$ и $y = 2x$.

Решение. Точки пересечения: $x^2 = 2x$, $x = 0$ и $x = 2$. На $[0;\ 2]$ прямая выше параболы. $S = \int_0^2 (2x - x^2)\,dx = \left[x^2 - \frac{x^3}{3}\right]_0^2 = 4 - \frac{8}{3} = \frac{4}{3}$.

Ответ: $\frac{4}{3}$.

Пример 8 (путь по скорости).

Скорость точки $v(t) = 3t^2 + 2t$ м/с. Какой путь она пройдёт за промежуток от $t = 1$ до $t = 3$ с?

Решение. Скорость на этом промежутке положительна, путь равен интегралу: $\int_1^3 (3t^2 + 2t)\,dt = \left[t^3 + t^2\right]_1^3 = (27 + 9) - (1 + 1) = 34$ м.

Ответ: 34 м.

Пример 9 (ЕГЭ №8 по графику).

Функция $f$ на отрезке $[1;\ 5]$ положительна, а фигура под её графиком состоит из прямоугольника $4 \times 2$ и поставленного на него прямоугольного треугольника с катетами 4 и 3. $F(x)$ — первообразная $f$. Найдите $F(5) - F(1)$.

Решение. $F(5) - F(1) = \int_1^5 f(x)\,dx$ — площадь под графиком: $8 + 6 = 14$.

Ответ: 14.

Коротко о главном

  • $F' = f$; все первообразные отличаются на константу.
  • Для $f(kx + b)$ первообразная $\frac{1}{k}F(kx + b)$.
  • $\int_a^b f\,dx = F(b) - F(a)$; при $f \ge 0$ это площадь.
  • Площадь между графиками — интеграл разности «верхний минус нижний».

Частые вопросы

Зачем «$+ C$»? Производная константы равна нулю, поэтому $x^2$, $x^2 + 5$ и $x^2 - 100$ имеют одну и ту же производную $2x$. Первообразных бесконечно много, и все они отличаются сдвигом графика вверх-вниз. Конкретную выбирают по дополнительному условию: «график проходит через точку».

Почему интеграл может быть отрицательным, а площадь — нет? Там, где график ниже оси, интеграл «вычитает» площадь. Чтобы найти площадь фигуры, лежащей ниже оси, берут интеграл со знаком минус: например, $\int_0^{\pi} \sin x\,dx = 2$, а $\int_{\pi}^{2\pi} \sin x\,dx = -2$, хотя обе фигуры имеют площадь 2.

Типичные ошибки
  • Первообразная $\sin x$ — это $-\cos x$, а не $\cos x$.
  • Для $x^n$ забывать делить на $n + 1$.
  • Для $f(kx + b)$ забывать множитель $\frac{1}{k}$.
  • Считать площадь интегралом от функции, которая ниже оси: интеграл получится отрицательным.

Задачи для самопроверки

  1. Найдите первообразную $f(x) = 3x^2 + 2\cos x$.
    Ответ

    $x^3 + 2\sin x + C$.

  2. Найдите первообразную $f(x) = e^{3x}$.
    Ответ

    $\frac{1}{3}e^{3x} + C$.

  3. Вычислите $\int_0^2 x^3\,dx$.
    Ответ

    $\frac{16}{4} = 4$.

  4. Вычислите $\int_0^{\pi} \sin x\,dx$.
    Ответ

    $-\cos\pi + \cos 0 = 2$.

  5. Найдите площадь под графиком $y = x^2$ на отрезке $[0;\ 3]$.
    Ответ

    9.

  6. $F(x) = x^3 - 6x$ — первообразная $f(x)$. Найдите $\int_1^2 f(x)\,dx$.
    Ответ

    $F(2) - F(1) = -4 - (-5) = 1$.

Задачи по теме

Навыки по теме

АВ
Методичку подготовил
Александр Владимирович
  • МГУ им. М.В. Ломоносова
  • Творческая лаборатория «Дважды Два»
  • 20+ лет стажа преподавания