Непосредственное интегрирование с использованием таблицы первообразных (таблицы неопределенных интегралов)

Таблица первообразных

Найти первообразную по известному дифференциалу функции мы можем в том случае, если используем свойства неопределенного интеграла. Из таблицы основных элементарных функций, используя равенства ∫ d F (x) = ∫ F " (x) d x = ∫ f (x) d x = F (x) + C и ∫ k · f (x) d x = k · ∫ f (x) d x можно составить таблицу первообразных.

Запишем таблицу производных в виде дифференциалов.

Постоянная y = C C " = 0 Степенная функция y = x p . (x p) " = p · x p - 1	Постоянная y = C d (C) = 0 · d x Степенная фунция y = x p . d (x p) = p · x p - 1 · d x
(a x) " = a x · ln a	Показательная функция y = a x . d (a x) = a x · ln α · d x В частности при a = e имеем y = e x d (e x) = e x · d x
log a x " = 1 x · ln a	Логарифмические функия y = log a x . d (log a x) = d x x · ln a В частности при a = e имеем y = ln x d (ln x) = d x x
Тригонометрические функции. sin x " = cos x (cos x) " = - sin x (t g x) " = 1 c o s 2 x (c t g x) " = - 1 sin 2 x	Тригонометрические функции. d sin x = cos x · d x d (cos x) = - sin x · d x d (t g x) = d x c o s 2 x d (c t g x) = - d x sin 2 x
a r c sin x " = 1 1 - x 2 a r c cos x " = - 1 1 - x 2 a r c t g x " = 1 1 + x 2 a r c c t g x " = - 1 1 + x 2	Обратные тригонометрические фунции. d a r c sin x = d x 1 - x 2 d a r c cos x = - d x 1 - x 2 d a r c t g x = d x 1 + x 2 d a r c c t g x = - d x 1 + x 2

Проиллюстрируем описанное выше примером. Найдем неопределенный интеграл степенной функции f (x) = x p .

Согласно таблице дифференциалов d (x p) = p · x p - 1 · d x . По свойствам неопределенного интеграла имеем ∫ d (x p) = ∫ p · x p - 1 · d x = p · ∫ x p - 1 · d x = x p + C . Следовательно, ∫ x p - 1 · d x = x p p + C p , p ≠ 0 .Второй вариант записи выглядит следующим образом: ∫ x p · d x = x p + 1 p + 1 + C p + 1 = x p + 1 p + 1 + C 1 , p ≠ - 1 .

Примем равным - 1 , найдем множество первообразных степенной функции f (x) = x p: ∫ x p · d x = ∫ x - 1 · d x = ∫ d x x .

Теперь нам понадобится таблица дифференциалов для натурального логарифма d (ln x) = d x x , x > 0 , следовательно ∫ d (ln x) = ∫ d x x = ln x . Поэтому ∫ d x x = ln x , x > 0 .

Таблица первообразных (неопределенных интегралов)

В левом столбце таблицы размещены формулы, которые носят название основных первообразных. В правом столбце формулы не являются основными, но могут использоваться при нахождении неопределенных интегралов. Их можно проверить дифференцированием.

Непосредственное интегрирование

Для выполнения непосредственного интегрирования мы будем использовать таблицы первообразных, правила интегрирования ∫ f (k · x + b) d x = 1 k · F (k · x + b) + C , а также свойства неопределенных интегралов ∫ k · f (x) d x = k · ∫ f (x) d x ∫ (f (x) ± g (x)) d x = ∫ f (x) d x ± ∫ g (x) d x

Таблицу основных интегралов и свойства интегралов можно использовать только после легкого преобразования подынтегрального выражения.

Пример 1

Найдем интеграл ∫ 3 sin x 2 + cos x 2 2 d x

Решение

Выносим из-под знака интеграла коэффициент 3:

∫ 3 sin x 2 + cos x 2 2 d x = 3 ∫ sin x 2 + cos x 2 2 d x

По формулам тригонометрии преобразуем подынтегральную функцию:

3 ∫ sin x 2 + cos x 2 2 d x = 3 ∫ sin x 2 2 + 2 sin x 2 cos x 2 + cos x 2 2 d x = = 3 ∫ 1 + 2 sin x 2 cos x 2 d x = 3 ∫ 1 + sin x d x

Так как интеграл суммы равен сумме интегралов, то
3 ∫ 1 + sin x d x = 3 ∫ 1 · d x + ∫ sin x d x

Используем данные из таблицы первообразных: 3 ∫ 1 · d x + ∫ sin x d x = 3 (1 · x + C 1 - cos x + C 2) = = п у с т ь 3 С 1 + С 2 = С = 3 x - 3 cos x + C

Ответ: ∫ 3 sin x 2 + cos x 2 2 d x = 3 x - 3 cos x + C .

Пример 2

Необходимо найти множество первообразных функции f (x) = 2 3 4 x - 7 .

Решение

Используем таблицу первообразных для показательной функции: ∫ a x · d x = a x ln a + C . Это значит, что ∫ 2 x · d x = 2 x ln 2 + C .

Используем правило интегрирования ∫ f (k · x + b) d x = 1 k · F (k · x + b) + C .

Получаем ∫ 2 3 4 x - 7 · d x = 1 3 4 · 2 3 4 x - 7 ln 2 + C = 4 3 · 2 3 4 x - 7 ln 2 + C .

Ответ: f (x) = 2 3 4 x - 7 = 4 3 · 2 3 4 x - 7 ln 2 + C

Используя таблицу первообразных, свойства и правило интегрирования, мы можем найти массу неопределенных интегралов. Это возможно в тех случаях, когда можно преобразовать подынтегральную функцию.

Для нахождения интеграла от функции логарифма, функции тангенса и котангенса и ряда других применяются специальные методы, которые мы рассмотрим в разделе «Основные методы интегрирования».

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Определение первообразной функции

• Функцию у= F (x) называют первообразной для функции у=f (x) на заданном промежутке Х, если для всех х ∈ Х выполняется равенство: F′(x) = f (x)

Можно прочесть двумя способами:

1. f производная функции F
2. F первообразная для функции f

Свойство первообразных

• Если F(x) - первообразная для функции f(x) на заданном промежутке, то функция f(x) имеет бесконечно много первообразных, и все эти первообразные можно записать в виде F(x) + С , где С - произвольная постоянная.

Геометрическая интерпретация

• Графики всех первообразных данной функции f (x) получаются из графика какой-либо одной первообразной параллельными переносами вдоль оси Оу .

Правила вычисления первообразных

1. Первообразная суммы равна сумме первообразных . Если F(x) - первообразная для f(x) , а G(x) - первообразная для g(x) , то F(x) + G(x) - первообразная для f(x) + g(x) .
2. Постоянный множитель можно выносить за знак производной . Если F(x) - первообразная для f(x) , и k - постоянная, то k·F(x) - первообразная для k·f(x) .
3. Если F(x) - первообразная для f(x) , и k, b - постоянные, причём k ≠ 0 , то 1/k · F(kx + b) - первообразная для f(kx + b) .

Запомни!

Любая функция F(x) = х 2 + С , где С - произвольная постоянная, и только такая функция, является первообразной для функции f(x) = 2х .

• Например:

  F"(x) = (х 2 + 1)" = 2x = f(x);

  f(x) = 2х, т.к. F"(x) = (х 2 – 1)" = 2x = f(x);

  f(x) = 2х, т.к. F"(x) = (х 2 –3)" = 2x = f(x);

Связь между графиками функции и ее первообразной:

1. Если график функции f(x)>0 на промежутке, то график ее первообразной F(x) возрастает на этом промежутке.
2. Если график функции f(x) на промежутке, то график ее первообразной F(x) убывает на этом промежутке.
3. Если f(x)=0 , то график ее первообразной F(x) в этой точке меняется с возрастающего на убывающий (или наоборот).

Для обозначения первообразной используют знак неопределённого интеграла, то есть интеграла без указания пределов интегрирования.

Неопределенный интеграл

Определение :

• Неопределённым интегралом от функции f(x) называется выражение F(x) + С, то есть совокупность всех первообразных данной функции f(x). Обозначается неопределённый интеграл так: \int f(x) dx = F(x) + C

• f(x) - называют подынтегральной функцией;
• f(x) dx - называют подынтегральным выражением;
• x - называют переменной интегрирования;
• F(x) - одна из первообразных функции f(x);
• С - произвольная постоянная.

Свойства неопределённого интеграла

1. Производная неопределённого интеграла равна подынтегральной функции: (\int f(x) dx)\prime= f(x) .
2. Постоянный множитель подынтегрального выражения можно выносить за знак интеграла: \int k \cdot f(x) dx = k \cdot \int f(x) dx .
3. Интеграл от суммы (разности) функций равен сумме (разности) интегралов от этих функций:\int (f(x) \pm g(x)) dx = \int f(x) dx \pm \int g(x) dx .
4. Если k, b - постоянные, причём k ≠ 0, то \int f(kx + b) dx = \frac { 1 } { k } \cdot F(kx + b) + C .

Таблица первообразных и неопределенных интегралов

Функция f(x)	Первообразная F(x) + C	Неопределенные интегралы \int f(x) dx = F(x) + C
0	C	\int 0 dx = C
f(x) = k	F(x) = kx + C	\int kdx = kx + C
f(x) = x^m, m\not =-1	F(x) = \frac { x^ { m+1 } } { m+1 } + C	\int x { ^m } dx = \frac { x^ { m+1 } } { m+1 } + C
f(x) = \frac { 1 } { x }	F(x) = l n \lvert x \rvert + C	\int \frac { dx } { x } = l n \lvert x \rvert + C
f(x) = e^x	F(x) = e^x + C	\int e { ^x } dx = e^x + C
f(x) = a^x	F(x) = \frac { a^x } { l na } + C	\int a { ^x } dx = \frac { a^x } { l na } + C
f(x) = \sin x	F(x) = -\cos x + C	\int \sin x dx = -\cos x + C
f(x) = \cos x	F(x) =\sin x + C	\int \cos x dx = \sin x + C
f(x) = \frac { 1 } { \sin { ^2 } x }	F(x) = -\ctg x + C	\int \frac { dx } { \sin { ^2 } x } = -\ctg x + C
f(x) = \frac { 1 } { \cos { ^2 } x }	F(x) = \tg x + C	\int \frac { dx } { \sin { ^2 } x } = \tg x + C
f(x) = \sqrt { x }	F(x) =\frac { 2x \sqrt { x } } { 3 } + C
f(x) =\frac { 1 } { \sqrt { x } }	F(x) =2\sqrt { x } + C
f(x) =\frac { 1 } { \sqrt { 1-x^2 } }	F(x)=\arcsin x + C	\int \frac { dx } { \sqrt { 1-x^2 } } =\arcsin x + C
f(x) =\frac { 1 } { \sqrt { 1+x^2 } }	F(x)=\arctg x + C	\int \frac { dx } { \sqrt { 1+x^2 } } =\arctg x + C
f(x)=\frac { 1 } { \sqrt { a^2-x^2 } }	F(x)=\arcsin \frac { x } { a } + C	\int \frac { dx } { \sqrt { a^2-x^2 } } =\arcsin \frac { x } { a } + C
f(x)=\frac { 1 } { \sqrt { a^2+x^2 } }	F(x)=\arctg \frac { x } { a } + C	\int \frac { dx } { \sqrt { a^2+x^2 } } = \frac { 1 } { a } \arctg \frac { x } { a } + C
f(x) =\frac { 1 } { 1+x^2 }	F(x)=\arctg + C	\int \frac { dx } { 1+x^2 } =\arctg + C
f(x)=\frac { 1 } { \sqrt { x^2-a^2 } } (a \not= 0)	F(x)=\frac { 1 } { 2a } l n \lvert \frac { x-a } { x+a } \rvert + C	\int \frac { dx } { \sqrt { x^2-a^2 } } =\frac { 1 } { 2a } l n \lvert \frac { x-a } { x+a } \rvert + C
f(x)=\tg x	F(x)= - l n \lvert \cos x \rvert + C	\int \tg x dx =- l n \lvert \cos x \rvert + C
f(x)=\ctg x	F(x)= l n \lvert \sin x \rvert + C	\int \ctg x dx = l n \lvert \sin x \rvert + C
f(x)=\frac { 1 } { \sin x }	F(x)= l n \lvert \tg \frac { x } { 2 } \rvert + C	\int \frac { dx } { \sin x } = l n \lvert \tg \frac { x } { 2 } \rvert + C
f(x)=\frac { 1 } { \cos x }	F(x)= l n \lvert \tg (\frac { x } { 2 } +\frac { \pi } { 4 }) \rvert + C	\int \frac { dx } { \cos x } = l n \lvert \tg (\frac { x } { 2 } +\frac { \pi } { 4 }) \rvert + C

Формула Ньютона–Лейбница

Пусть f (х) данная функция, F её произвольная первообразная.

\int_ { a } ^ { b } f(x) dx =F(x)|_ { a } ^ { b } = F(b) - F(a)

где F(x) - первообразная для f(x)

То есть, интеграл функции f (x) на интервале равен разности первообразных в точках b и a .

Площадь криволинейной трапеции

Криволинейной трапецией называется фигура, ограниченная графиком неотрицательной и непрерывной на отрезке функции f , осью Ox и прямыми x = a и x = b .

Площадь криволинейной трапеции находят по формуле Ньютона-Лейбница:

S= \int_ { a } ^ { b } f(x) dx

Перечислим интегралы от элементарных функций, которые иногда называют табличными:

Любую из приведенных выше формул можно доказать, взяв производную от правой части (в результате будет получены подынтегральная функция).

Методы интегрирования

Рассмотрим некоторые основные методы интегрирования. К ним относятся:

1. Метод разложения (непосредственного интегрирования ).

Этот методоснован на непосредственном применении табличных интегралов, а также на применении свойств 4 и 5 неопределенного интеграла (т.е. на выносе за скобку постоянного сомножителя и/или представления подынтегральной функции в виде суммы функций – разложения подынтегральной функции на слагаемые).

Пример 1. Например, для нахождения(dx/x 4) можно непосредственно воспользоваться табличным интегралом дляx n dx. В самом деле,(dx/x 4) =x -4 dx=x -3 /(-3) +C= -1/3x 3 +C.

Пример 2. Для нахождениявоспользуемся тем же интегралом:

Пример 3. Для нахождениянадо взять

Пример 4. Чтобы найти, представим подынтегральную функцию в видеи используем табличный интеграл для показательной функции:

Рассмотрим использование выноса за скобку постоянного сомножителя.

Пример 5. Найдем, например. Учитывая, что, получим

Пример 6. Найдем. Поскольку, воспользуемся табличным интеграломПолучим

В следующих двух примерах также можно использовать вынос за скобки и табличные интегралы:

Пример 7.

(используем и);

Пример 8.

(используем и).

Рассмотрим более сложные примеры, в которых используется интеграл суммы.

Пример 9. Например, найдем
. Для применения метода разложения в числителе используем формулу куба суммы  , а затем полученный многочлен почленно разделим на знаменатель.

=((8x 3/2 + 12x+ 6x 1/2 + 1)/(x 3/2))dx=(8 + 12x -1/2 + 6/x+x -3/2)dx= 8dx+ 12x -1/2 dx+ + 6dx/x+x -3/2 dx=

Следует отметить, что в конце решения записана одна общая постоянная С (а не отдельные при интегрировании каждого слагаемого). В дальнейшем также предлагается опускать в процессе решения постоянные от интегрирования отдельных слагаемых до тех пор, пока выражение содержит хотя бы один неопределенный интеграл (будем записывать одну постоянную в конце решения).

Пример 10. Найдем. Для решения этой задачи разложим на множители числитель (после этого удастся сократить знаменатель).

Пример 11. Найдем. Здесь можно использовать тригонометрические тождества.

Иногда, чтобы разложить выражение на слагаемые, приходится применять более сложные приемы.

Пример 12. Найдем. В подынтегральной функции выделим целую часть дроби. Тогда

Пример 13. Найдем

2. Метод замены переменной (метод подстановки)

Метод основан на следующей формуле: f(x)dx=f((t))`(t)dt, где x =(t) - функция, дифференцируемая на рассматриваемом промежутке.

Доказательство. Найдем производные по переменной tот левой и правой частей формулы.

Отметим, что в левой части находится сложная функция, промежуточным аргументом которой является x = (t). Поэтому, чтобы дифференцировать ее поt, сначала дифференцируем интеграл по x, а затем возмем производную от промежуточного аргумента поt.

( f(x)dx)` t = ( f(x)dx)` x *x` t = f(x) `(t)

Производная от правой части:

(f((t))`(t)dt)` t =f((t))`(t) =f(x)`(t)

Так как эти производные равны, по следствию из теоремы Лагранжа левая и правая части доказываемой формулы отличаются на некоторую постоянную. Поскольку сами неопределенные интегралы определены с точностью до неопределенного постоянного слагаемого, то указанную постоянную в окончательной записи можно опустить. Доказано.

Удачная замена переменной позволяет упростить исходный интеграл, а в простейших случаях свести его к табличному. В применении этого метода различают методы линейной и нелинейной подстановки.

а) Метод линейной подстановки рассмотрим на примере.

Пример 1.
. Пустьt= 1 – 2x, тогда

dx=d(½ - ½t) = - ½dt

Следует отметить, что новую переменную можно не выписывать явно. В таких случаях говорят о преобразовании функции под знаком дифференциала или о введении постоянных и переменных под знак дифференциала, - т.е. о неявной замене переменной .

Пример 2. Например, найдемcos(3x + 2)dx. По свойствам дифференциала dx = (1/3)d(3x) = (1/3)d(3x + 2), тогдаcos(3x + 2)dx =(1/3)cos(3x + 2)d(3x + + 2) = (1/3)cos(3x + 2)d(3x + 2) = (1/3)sin(3x + 2) +C.

В обоих рассмотренных примерах для нахождения интегралов была использована линейная подстановка t=kx+b(k0).

В общем случае справедлива следующая теорема.

Теорема о линейной подстановке . ПустьF(х) - некоторая первообразная для функцииf(х). Тогдаf(kx+b)dx= (1/k)F(kx+b) +C, где k и b - некоторые постоянные,k0.

Доказательство.

По определению интеграла f(kx+b)d(kx+b) =F(kx+b) +C. Hod(kx+b)= (kx+b)`dx=kdx. Вынесем постоянный множительkза знак интеграла:kf(kx+b)dx=F(kx+b) +C. Теперь можно разделить левую и правую части равенства наkи получить доказываемое утверждение с точностью до обозначения постоянного слагаемого.

Данная теорема утверждает, что если в определение интеграла f(x)dx= F(x) + C вместо аргумента х подставить выражение (kx+b), то это приведет к появлению дополнительного множителя 1/kперед первообразной.

С использованием доказанной теоремы решим следующие примеры.

Пример 3.

Найдем . Здесьkx+b= 3 –x, т.е.k= -1,b= 3. Тогда

Пример 4.

Найдем. Здесьkx+b= 4x+ 3, т.е.k= 4,b= 3. Тогда

Пример 5.

Найдем . Здесьkx+b= -2x+ 7, т.е.k= -2,b= 7. Тогда

.

Пример 6. Найдем
. Здесьkx+b= 2x+ 0, т.е.k= 2,b= 0.

.

Сравним полученный результат с примером 8, который был решен методом разложения. Решая эту же задачу другим методом, мы получили ответ
. Сравним полученные результаты:. Таким образом, эти выражения отличаются друг от друга на постоянное слагаемое, т.е. полученные ответы не противоречат друг другу.

Пример 7. Найдем
. Выделим в знаменателе полный квадрат.

В некоторых случаях замена переменной не сводит интеграл непосредственно к табличному, но может упростить решение, сделав возможным применение на последующем шаге метода разложения.

Пример 8. Например, найдем. Заменимt=x+ 2, тогдаdt=d(x+ 2) =dx. Тогда

,

где С = С 1 – 6 (при подстановке вместоtвыражения (x+ 2) вместо первых двух слагаемых получим ½x 2 -2x– 6).

Пример 9. Найдем
. Пустьt= 2x+ 1, тогдаdt= 2dx;dx= ½dt;x= (t– 1)/2.

Подставим вместо tвыражение (2x+ 1), раскроем скобки и приведем подобные.

Отметим, что в процессе преобразований мы перешли к другому постоянному слагаемому, т.к. группу постоянных слагаемых в процессе преобразований можно было опустить.

б) Метод нелинейной подстановки рассмотрим на примере.

Пример 1.
. Пустьt= -x 2 . Далее можно было бы выразить х черезt, затем найти выражение для dxи реализовать замену переменной в искомом интеграле. Но в данном случае проще поступить по-другому. Найдемdt=d(-x 2) = -2xdx. Отметим, что выражениеxdxявляется сомножителем подынтегрального выражения искомого интеграла. Выразим его из полученного равенстваxdx= - ½dt. Тогда

=  (- ½)e t dt = (- ½) e t dt = (- ½)e t + C = (- ½)
+ C

Рассмотрим еще несколько примеров.

Пример 2. Найдем. Пустьt= 1 -x 2 . Тогда

Пример 3. Найдем. Пустьt=. Тогда

;

Пример 4. В случае нелинейной подстановки также бывает удобно использовать неявную замену переменной.

Например, найдем
. Запишемxdx= = (-1/4)d(3 - 2x 2) (неявно заменили переменнойt= 3 - 2x 2). Тогда

Пример 5. Найдем. Здесь тоже введем переменную под знак дифференциала:(неявная заменаt= 3 + 5x 3). Тогда

Пример 6. Найдем. Поскольку,

Пример 7. Найдем. Поскольку, то

Рассмотрим несколько примеров, в которых возникает необходимость сочетать различные подстановки.

Пример 8. Найдем
. Пустьt= 2x+ 1, тогдаx= (t– 1)/2;dx= ½dt.

Пример 9. Найдем
. Пустьt=x- 2, тогдаx=t+ 2;dx=dt.

В более раннем материале был рассмотрен вопрос нахождения производной и были показаны её различные применения: вычисление углового коэффициента касательной к графику, решение задач на оптимизацию, исследование функций на монотонность и экстремумы. $\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits}$ $\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits}$ $\newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits}$ $\newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits}$

Рисунок 1.

Так же была рассмотрена задача нахождения мгновенной скорости $v(t)$ с помощью производной по заранее известному пройденному пути, выражаемому функцией $s(t)$.

Рисунок 2.

Очень часто встречается и обратная задача, когда нужно найти путь $s(t)$, пройденный точкой за время $t$, зная скорость движения точки $v(t)$. Если вспомнить, мгновенная скорость $v(t)$ находится, как производная от функции пути $s(t)$: $v(t)=s’(t)$. Значит, чтобы решить обратную задачу, то есть вычислить путь, нужно найти функцию, производная которой будет равна функции скорости. Но мы-то знаем, что производная пути и есть скорость, то есть: $s’(t) = v(t)$. Скорость равна произведению ускорения на время: $v=at$. Нетрудно определить, что искомая функция пути будет иметь вид: $s(t) = \frac{at^2}{2}$. Но это не совсем полное решение. Полное решение будет иметь вид: $s(t)= \frac{at^2}{2}+C$, где $C$ – некоторая константа. Почему именно так, будет рассказано далее. А пока проверим правильность найденного решения: $s"(t)=\left(\frac{at^2}{2}+C\right)"=2\frac{at}{2}+0=at=v(t)$.

Стоит заметить, что нахождение пути по скорости является физическим смыслом первообразной.

Полученная функция $s(t)$ называется первообразной функции $v(t)$. Довольно интересное и необычное название, не правда ли. В нём кроется большой смысл, который объясняет суть данного понятия и ведёт к его пониманию. Можно заметить, что в нём заключены два слова «первый» и «образ». Они говорят сами за себя. То есть это та функция, которая является исходной для имеющейся у нас производной. А мы по этой производной ищем ту функцию, которая была в начале, была «первой», «первым образом», то есть первообразную. Её иногда также называют примитивной функцией или антипроизводной.

Как нам уже известно, процесс нахождения производной называется дифференцированием. А процесс нахождения первообразной называется интегрированием. Операция интегрирования является обратной для операции дифференцирования. Верно и обратное утверждение.

Определение. Первообразной для функции $f(x)$ на некотором интервале называется такая функция $F(x)$, производная которой равна этой функции $f(x)$ для всех $x$ из указанного интервала: $F’(x)=f(x)$.

У кого-то может возникнуть вопрос: откуда в определении взялись $F(x)$ и $f(x)$, если изначально речь шла о $s(t)$ и $v(t)$. Дело в том, что $s(t)$ и $v(t)$ – частные случаи обозначения функций, имеющие в данном случае конкретный смысл, то есть это функция времени и функция скорости соответственно. То же самое и с переменной $t$ – она обозначает время. А $f$ и $x$ – традиционный вариант общего обозначения функции и переменной соответственно. Стоит обратить особое внимание на обозначение первообразной $F(x)$. Во-первых, $F$ – заглавная. Первообразные обозначаются заглавными буквами. Во-вторых, буквы совпадают: $F$ и $f$. То есть, для функции $g(x)$ первообразная будет обозначаться $G(x)$, для $z(x)$ – $Z(x)$. Вне зависимости от обозначений правила нахождения первообразной функции всегда одинаковы.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Доказать, что функция $F(x)=\frac{1}{5}\sin5x$ является первообразной функции $f(x)=\cos5x$.

Для доказательства воспользуемся определением, а точнее тем фактом, что $F’(x)=f(x)$, и найдём производную функции $F(x)$: $F’(x)=(\frac{1}{5} \sin5x)’=\frac{1}{5}\cdot 5\cos5x= \cos5x$. Значит $F(x)=\frac{1}{5} \sin5x$ является первообразной $f(x)=\cos5x$. Что и требовалось доказать.

Пример 2. Найти, каким функциям соответствуют следующие первообразные: а) $F(z)=\tg z$; б) $G(l) = \sin l$.

Чтобы найти искомые функции, вычислим их производные:
а) $F’(z)=(\tg z)’=\frac{1}{\cos^2 z}$;
б) $G(l) = (\sin l)’ = \cos l$.

Пример 3. Какой будет первообразная для $f(x)=0$?
Воспользуемся определением. Подумаем, какая функция может иметь производную, равную $0$. Вспоминая таблицу производных, получаем, что любая постоянная будет иметь такую производную. Получаем, что искомая нами первообразная: $F(x)= C$.

Полученное решение можно объяснить геометрически и физически. Геометрически оно означает, что касательная к графику $y=F(x)$ горизонтальна в каждой точке этого графика и, значит, совпадает с осью $Ox$. Физически объясняется тем, что точка, имеющая скорость, равную нулю, остаётся на месте, то есть пройденный ею путь неизменен. Исходя из этого можно сформулировать следующую теорему.

Теорема. (Признак постоянства функций ). Если на некотором промежутке $F’(x) = 0$, то функция $F(x)$ на этом промежутке постоянна.

Пример 4. Определить, первообразными каких функций являются функции а) $F_1 = \frac{x^7}{7}$; б) $F_2 = \frac{x^7}{7} – 3$; в) $F_3 = \frac{x^7}{7} + 9$; г) $F_4 = \frac{x^7}{7} + a$, где $a$ – некоторое число.
Используя определение первообразной, делаем вывод, что для решения этого задания нам нужно вычислить производные данных нам первообразных функций. При вычислении помним о том, что производная постоянной, то есть любого числа, равна нулю.
а) $F_1 =(\frac{x^7}{7})"= 7 \cdot \frac{x^6}{7} = x^6$;
б) $F_2 =\left(\frac{x^7}{7} – 3\right)"=7 \cdot \frac{x^6}{7}= x^6$;
в) $F_3 =(\frac{x^7}{7} + 9)’= x^6$;
г) $F_4 =(\frac{x^7}{7} + a)’ = x^6$.

Что мы видим? Несколько разных функций являются первообразными одной и той же функции. Это говорит о том, что у любой функции существует бесконечно много первообразных, и они имеют вид $F(x) + C$, где $C$ – произвольная константа. То есть операция интегрирования является многозначной в отличие от операции дифференцирования. Сформулируем на основании этого теорему, описывающую основное свойство первообразных.

Теорема. (Основное свойство первообразных ). Пусть функции $F_1$ и $F_2$ являются первообразными функции $f(x)$ на некотором промежутке. Тогда для всех значений из этого промежутка справедливо следующее равенство: $F_2=F_1+C$, где $C$ – некоторая константа.

Факт наличия бесконечного множества первообразных можно интерпретировать геометрически. С помощью параллельного переноса вдоль оси $Oy$ можно получить друг из друга графики двух любых первообразных для $f(x)$. В этом заключается геометрический смысл первообразной.

Очень важно обратить внимание на то, что выбором константы $C$ можно добиться прохождения графика первообразной через определённую точку.

Рисунок 3.

Пример 5. Найти первообразную для функции $f(x)=\frac{x^2}{3}+1$, график которой проходит через точку $(3; 1)$.
Найдём сначала все первообразные для $f(x)$: $F(x)=\frac{x^3}{9}+x + C$.
Далее найдём такое число C, при котором график $y=\frac{x^3}{9}+x + C$ будет проходит через точку $(3; 1)$. Для этого подставим координаты точки в уравнение графика и решим его относительно $C$:
$1= \frac{3^3}{9}+3 + C$, $C=-5$.
Получили график $y=\frac{x^3}{9}+x-5$, который соответствует первообразной $F(x)=\frac{x^3}{9}+x-5$.

Таблица первообразных

Таблицу формул для нахождения первообразных можно составить, используя формулы нахождения производных.

Таблица первобразных

Функции	Первообразные
$0$	$C$
$1$	$x+C$
$a\in R$	$ax+C$
$x^n, n\ne1$	$\displaystyle \frac{x^{n+1}}{n+1}+C$
$\displaystyle \frac{1}{x}$	$\ln|x|+C$
$\sin x$	$-\cos x+C$
$\cos x$	$\sin x+C$
$\displaystyle \frac{1}{\sin^2 x}$	$-\ctg x+C$
$\displaystyle \frac{1}{\cos^2 x}$	$\tg x+C$
$e^x$	$e^x+C$
$a^x, a>0, a\ne1$	$\displaystyle \frac{a^x}{\ln a} +C$
$\displaystyle \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$	$\arcsin x+C$
$\displaystyle -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$	$\arccos x+C$
$\displaystyle \frac{1}{1+x^2}$	$\arctg x+C$
$\displaystyle -\frac{1}{1+x^2}$	$\arcctg x+C$

Проверить правильность составления таблицы можно следующим образом: для каждого множества первообразных, находящегося в правом столбце найти производную, в результате чего получатся соответствующие функции, стоящие в левом столбце.

Некоторые правила нахождения первообразных

Как известно, многие функции имеют более сложный вид, нежели указанные в таблице первообразных, и могут представлять собой любое произвольное сочетание сумм и произведений функций из этой таблицы. И тут возникает вопрос, как вычислять первообразные подобных функций. К примеру, из таблицы мы знаем, как вычислить первообразные $x^3$, $\sin x$ и $10$. А как, например, вычислить первообразную $x^3-10\sin x$? Забегая вперёд, стоит отметить, что она будет равна $\frac{x^4}{4}+10\cos x$.
1. Если $F(x)$ первообразная для $f(x)$, $G(x)$ – для $g(x)$, то для $f(x)+g(x)$ первообразная будет равна $F(x)+G(x)$.
2. Если $F(x)$ является первообразной для $f(x)$ и $a$ – константа, то для $af(x)$ первообразной будет $aF(x)$.
3. Если для $f(x)$ первообразной является $F(x)$, $a$ и $b$ – константы, то $\frac{1}{a} F(ax+b)$ первообразная для $f(ax+b)$.
Используя полученные правила мы можем расширить таблицу первообразных.

Функции	Первообразные
$(ax+b)^n, n\ne1, a\ne0$	$\displaystyle \frac{(ax+b)^n}{a(n+1)} +C$
$\displaystyle \frac{1}{ax+b}, a\ne0$	$\displaystyle \frac{1}{a}\ln|ax+b|+C$
$e^{ax+b}, a\ne0$	$\displaystyle \frac{1}{a} e^{ax+b}+C$
$\sin(ax+b), a\ne0$	$\displaystyle -\frac{1}{a}\cos(ax+b)+C$
$\cos(ax+b), a\ne0$	$\displaystyle \frac{1}{a}\sin(ax+b)+C$

Пример 5. Найти первообразные для:

а) $\displaystyle 4x^3+10x^7$;

б) $\displaystyle \frac{6}{x^5} -\frac{2}{x}$;

в) $\displaystyle 5\cos x+\sin(3x+15)$;

г) $\displaystyle \sqrt{x}-2\sqrt{x}$.

а) $4\frac {x^{3+1}}{3+1}+10\frac{x^{7+1}}{7+1}+C=x^4+\frac{5}{4} x^8+C$;

б) $-\frac{3}{2x^4} -2\ln|x|+C$;

в) $5 \sin x - \frac{1}{3}\cos(3x + 15) + C$;

г) $\frac{2}{3}x\sqrt{x} - \frac{3}{2} x\sqrt{x} + C$.