Первообразная и неопределенный интеграл: основные
Определения и теоремы
В первом семестре мы подробно изучали операцию дифференцирования, которая играет важную роль, как в самом математическом анализе, так и в его приложениях. Не менее значительную роль играет и обратная операция – восстановление функции по ее производной. Эту операцию называют интегрированием.
Определение 1. Функция называется первообразной для функции
на данном промежутке, если на этом промежутке выполняется равенство:
.
Например, для первообразная
, ибо
.
Всякий раз, когда математики вводят в рассмотрение операцию, обратную некоторой известной операции, возникают два вопроса:
1) всегда ли осуществима эта обратная операция?
2) однозначен ли результат этой операции?
Ответ на первый вопрос дает теорема существования первообразной, доказательство которой будет дано в теме «Определенный интеграл».
Теорема 1. Всякая непрерывная функция имеет первообразную.
Что касается второго вопроса, то ответ на него отрицательный: если у функции есть первообразная
, то любая сумма
, где
const будет первообразной для
, ибо
, а
. Интересен и такой пример: для функции
первообразными являются функции
,
и
. Но в бесконечном множестве всех первообразных для любой функции существует определенный «порядок», устанавливаемый следующей теоремой.
Теорема 2. Пусть – некоторая первообразная для функции
на промежутке
. Тогда любая другая первообразная
имеет вид
, где C – некоторая постоянная.
Доказательство. Вспомогательную функцию рассмотрим на промежутке
и применим к ней теорему Лагранжа:
.
Но
. Поэтому
, т.е.
. Считая точку
фиксированной, а точку
– произвольной, получим
const. Отсюда и следует, что
, где
– некоторая постоянная.
Определение 2. Совокупность всех первообразных для функции называется неопределенным интегралом от функции
и обозначается символом
. В этом обозначении: символ
– знак интеграла,
– подынтегральная функция,
– подынтегральное выражение, x – переменная интегрирования.
Итак,
,
где , а
– некоторая постоянная.
Отметим два свойства, непосредственно вытекающие из определения неопределенного интеграла:
,
.
Неопределенный интеграл – это множество функций, и последнее равенство надо понимать так: производная каждой функции из этого множества совпадает с подынтегральной функцией.
С геометрической точки зрения неопределенный интеграл – это семейство кривых, каждая из которых получается путем сдвига одной из кривых вдоль оси .
Примем (пока без доказательства) два полезных свойства первообразных: 1) каждая первообразная нечетной функции – четна; 2) одна из первообразных четной функции – нечетна.
Таблица основных интегралов
Равенство , равносильно равенству
. Поэтому таблица интегралов – это таблица производных, прочитанная справа налево с некоторыми упрощениями и дополнениями.
1. ,
;
;
.
2. .
3. ;
.
4. .
5. .
6. .
7. .
8. .
9. .
10. .
11. .
12. ,
.
13. ,
.
14. ,
, – “высокий” логарифм.
15. ,
, – “длинный” логарифм.
Всякую формулу интегрирования легко доказать дифференцированием. Например, формула 13:
.
Для простоты пишут вместо
и
вместо
.
Замечание. Учитывая свойства аркфункций в формуле 12 вместо можно писать
, а в формуле 13 вместо
писать
.
Основные правила интегрирования
I. .
II. .
III. Если , то
.
Неопределенный интеграл – это множество функций и равенства I и II надо понимать как совпадение множеств. Например, равенство I означает следующее: чтобы получить элементы множества , надо каждый элемент множества
умножить на число
. Правило III можно доказать так:
. Тогда
,
т.е. .
Отметим, что правило III “работает” только тогда, когда вместо переменной интегрирования фигурирует линейная функция
:
,
но . Для этогоинтеграла правильный ответ имеет вид:
.
Замечание. Правило III есть весьма частный случай замены переменной (см. следующий параграф).