Слайд 1Математика ППИ
Лекция 11.
Неопределённый интеграл, его свойства . Непосредственное интегрирование. Метод
замены переменной в неопределенном интеграле. Интегрирование функций, содержащих квадратный трехчлен
Слайд 2Математика ППИ
Лекция 11.
Неопределённый интеграл . Методы интегрирования: замена переменной.
Слайд 3Цели и задачи:
Дать понятие первообразной и неопределенного интеграла.
Изучить основные свойства
интеграла.
Слайд 4Цели и задачи:
Изучить основные методы интегрирования: интегрирование
методом замены переменной, по частям.
Слайд 5Вопросы лекции
1. Первообразная и неопределенный интеграл.
2. Основные
свойства неопределённого интегра. 3.Интегрирование разложением, внесением под знак дифференциала.
4. Метод
замены переменной в неопределенном интеграле. Интегрирование функций, содержащих квадратный трехчлен.
Слайд 6ЛИТЕРАТУРА
[1] Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т 1. Москва:
Интеграл-Пресс, 2004. с. 340-375;
[3] Б.П. Демидович, В.А. Кудрявцев. Краткий курс
высшей математики. Москва: Издательство АСТ, 2004.. с. 229-275;
Слайд 7Интеграл (от лат. integer — целый), одно из важнейших понятий математики.
Оно возникло в связи с потребностью, с одной стороны, отыскивать
функции по их производным.
Например, находить функцию, выражающую путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки.
Слайд 8А с другой — измерять площади, объёмы, длины дуг, работу
сил за определённый промежуток времени и т. п. В соответствии
с этим различают неопределённые и определённые интегралы, вычисление которых является задачей интегрального исчисления.
Слайд 9Немецкий учёный Г. Лейбниц одновременно с английским учёным И. Ньютоном
и независимо от него открыл основные принципы дифференциального и интегрального
исчислений в 80-х годах XVII века.
Слайд 10Теория приобрела силу после того, как Лейбницем и Ньютоном было
доказано, что дифференцирование и интегрирование –
взаимно обратные
операции.
Исаак
Ньютон
(1643 – 1727)
Слайд 11Лейбниц Готфрид Вильгельм
(1646-1716)
Символ ∫ введен Лейбницем (1675 г.). Этот
знак является изменением латинской буквы S (первой буквы слова summa).
Слайд 12Огюстен Луи Коши (1789 – 1857)
Карл Теодор Вильгельм Вейерштрасс (1815
-1897 )
Работы Коши и Вейерштрасса
подвели итог многовековому развитию
интегрального исчисления.
Слайд 13Огюстен Луи Коши (1789 – 1857)
Карл Теодор Вильгельм Вейерштрасс (1815
-1897 )
Работы Коши и Вейерштрасса
подвели итог многовековому развитию
интегрального исчисления.
Слайд 14Учебный вопрос.
Первообразная и неопределенный интеграл.
Слайд 15 Первообразная и неопределённый интеграл.
Определение. Функция F(x) называется первообразной
для функции f(x) на отрезке
[a; b]
если во всех точках этого отрезка выполняется равенство F’(x)=f(x).
Пример. Найти первообразную от функции
Из определения первообразной следует, что
. Действительно,
Слайд 16Замечание. Задача отыскания функции по заданной производной этой функции решается,
например, в инерциальных системах счисления пути самолёта. В них с
помощью акселерометров определяются ускорения движения самолёта. По ускорениям вычисляются скорости, а по скоростям – пройденный самолётом путь с указанием его текущих координат.
Замечание. Легко видеть, что если для данной функции f(x) существует первообразная, то эта первообразная не является единственной.
Слайд 17Пример.
Рассмотрим функцию
и найдём её первообразные.
Решение. Первообразные
Слайд 18Теорема. Если F(x) – первообразная для функции f(x), то любая
первообразная для f(x) имеет вид Ф(x)=F(x)+C, где C=const.
Слайд 19Доказательство. В силу определения первообразной : F’(x)=f(x). Пусть Ф(x) –
другая первообразная, тогда Ф’(x)=f(x). Рассмотрим функцию
.
Найдём
Таким образом, производная равная нулю. Такое возможно лишь если ,
Следовательно,
откуда
▲
Слайд 20 Определение. Совокупность всех первообразных
для функции f(x) на некотором интервале называется неопределённым интегралом от функции f(x) на этом интервале и обозначается
где - знак интеграла,
- подынтегральное выражение,
- подынтегральная функция.
Слайд 21Пример.
Проверим результат:
Отыскание всех первообразных для данной функции или
одной из них называется интегрированием.
Интегрирование – есть действие, обратное дифференцированию.
С геометрической точки зрения неопределённый интеграл представляет совокупность (семейство) интегральных кривых .
Слайд 22Естественно возникает вопрос: для всякой ли функции
существуют первообразные, а значит и неопределённый интеграл?
На этот вопрос
отвечает теорема существования неопределённого интеграла, которую мы примем без доказательства.
Теорема. Если функция непрерывна на некотором интервале, то для неё на этом интервале существует первообразная, то есть неопределённый интеграл.
Слайд 23УЧЕБНЫЙ ВОПРОС,
Основные свойства неопределённого интеграла.
Слайд 24 Основные свойства неопределённого интеграла.
1. Производная от неопределённого интеграла равна
подынтегральной функции: если
,
то
2. Дифференциал от неопределённого интеграла равен подынтегральному выражению, то есть
Слайд 253. Неопределённый интеграл от дифференциала некоторой функции равен этой функции,
плюс произвольная постоянная
Справедливость последующего равенства легко проверить
дифференцированием (дифференциалы от обеих частей равенства равны
Слайд 264. Неопределённый интеграл от алгебраической суммы функций равен алгебраической сумме
интегралов от слагаемых
Слайд 27
5. Числовой множитель можно выносить за знак неопределенного интеграла:
.
Слайд 286. Свойство инвариантности (постоянства) формул интегрирования.
Всякая формула интегрирования сохраняет
свой вид при подстановке вместо независимой переменной любой дифференцируемой функции,
т.е., если
то
Слайд 29Доказательство.
Возьмём функцию
для её дифференциала в силу теоремы об инвариантности
вида первого дифференциала имеем:
отсюда
▲
2.f(x) = C
3.f(x)=sinx
4.f(x) =
6.f(x)=
а. F(x) =Сх+С1
б. F(x) =
в. F(x) =
г. F(x) = sin x+С
д. F(x) = сtg x+С
е. F(x) = - cos x+С
5.f(x) =cosx
Установить соответствие между функциями и первообразными.
tg x+С
Слайд 32Таблица основных интегралов (через u(x)!)
1.
2.
3.
4.
5.
Слайд 36Замечание. Таблица основных интегралов в силу свойства инвариантности формул интегрирования
оказывается справедливой независимо от того, является ли переменная интегрирования независимой
переменной или любой дифференцируемой функцией от неё.
Слайд 39
Найти интегралы для функций:
F(x) = 5 х² + C
F(x) =
х³ + C
F(x) = -cosх+5х+ C
F(x) = 5sinx + C
F(x)
= 2 х³ + C
F(x) = 3x - х²+ C
1) f(x) =10х
2) f(x) =3 х²
3) f(x) = sinх+5
4) f(x) = 5cosx
5) f(x) = 6х²
6) f(x) = 3-2х
Слайд 41
УЧЕБНЫЙ ВОПРОС
Интегрирование разложением, внесением под знак дифференциала.
Слайд 42Непосредственное интегрирование - вычисление интеграла с помощью
его свойств,
тождественных
преобразований подынтегральной функции,
таблицы основных интегралов.
Использование при этом свойства
линейности неопределённого интеграла называется методом разложения вычисления интеграла.
Слайд 43Таблица основных интегралов в силу свойства инвариантности формул интегрирования оказывается
справедливой независимо от того, является ли переменная интегрирования независимой переменной
или дифференцируемой функцией.
Например,
.
Слайд 45Интегрирование внесением под знак дифференциала.
Известно, что дифференциал функции равен произведению
производной этой функции и дифференциала её аргумента:
Переход в этом
равенстве слева направо называют подведением множителя под знак дифференциала.
Слайд 47Пусть требуется найти интеграл вида
Подводя
в этом интеграле множитель
под знак дифференциала, а затем используя свойство инвариантности формул интегрирования, получим
Слайд 48 Метод интегрирования введением под знак дифференциала используется для интегрирования сложных
функций:
аргумент сложной функции записывается под знак дифференциала;
затем необходимо
разделить подынтегральное выражение на производную этого аргумента.
Слайд 49Пример. Найти интеграл
Здесь подынтегральное выражение разделено на 2, так
как
Слайд 50 Теперь используем свойство инвариантности и применим формулу 1 таблицы относительно
переменной интегрирования 2х – 3.
Таким образом,
2.f(x) = C
3.f(x)=sinx
4.f(x) =
6.f(x)=
1. F(x) =Сх+С1
2. F(x) =
3. F(x) =
4. F(x) = sin x+С
5. F(x) = сtg x+С
6. F(x) = - cos x+С
5.f(x) =cosx
Внести функции под знак дифференциала
tg x+С
Слайд 53УЧЕБНЫЙ ВОПРОС
Метод замены переменной в неопределенном интеграле. Интегрирование
функций, содержащих квадратный трехчлен.
Слайд 54Замена переменной или подстановка.
Метод заключается во введении новой переменной
интегрирования.
При этом интеграл приводится к новому интегралу, который является
табличным или к нему сводящимся (в случае «удачной» подстановки).
Общих методов подбора подстановок не существует.
Слайд 55Введём в интеграле
новую переменную t, положив x=φ(t), где φ(t) – непрерывная,
дифференцируемая функция. Тогда dx=φ’(t) dt и справедливо равенство
Это формула замены переменной или метода подстановки. После этого получим новый интеграл, который проще приводится к табличному.
Слайд 56Доказательство.
Находим производную от левой части равенства
.
Правую часть равенства будем дифференцировать по x как сложную функцию, где t – промежуточный аргумент, при этом и по правилу
дифференцирования обратной функции
Слайд 57Таким образом, имеем
Следовательно, производные по х от правой и левой
частей равенства равны,
что и требовалось доказать. ▲
.
Слайд 58 Замечание 1. После интегрирования в правой части равенства вместо t
необходимо подставить его выражение через x на основании равенства x=φ(t).
Замечание 2. При замене переменной функцию x=φ(t) надо подбирать так, чтобы новый интеграл стал проще.
Замечание 3. При интегрировании иногда целесообразно подбирать замену переменной не в виде x=φ(t), а в виде t=ψ(x).
Слайд 61Интегрирование функций, содержащих квадратный трехчлен.
Слайд 64Задание на самостоятельную работу
[1] Н.С. Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления.
Т 1. Москва: Интеграл-Пресс, 2004, с. 340-375.
[3] Б.П. Демидович, В.А.
Кудрявцев. Краткий курс высшей математики. Москва: Издательство АСТ, 2004, с. 229-250.
Выучить таблицу основных интегралов.
Слайд 65Математика ППИ
Лекция 12.
Метод интегрирования по частям в неопределенном интеграле.
Интегрирование тригонометрических функций
Слайд 66Вопросы лекции
1. Интегрирование по частям в неопределенном интеграле.
2.
Интегрирование тригонометрических функций.
Слайд 67УЧЕБНЫЙ ВОПРОС
Интегрирование по частям.
Слайд 68 Одной из причин сложности операции интегрирования является отсутствие формулы интегрирования
произведения функций.
Есть метод интегрирования произведения некоторых классов функций, который
называется методом интегрирования по частям.
Выведем формулу интегрирования по частям.
Слайд 69 Пусть u=u(x) и v=v(x) – дифференцируемые функции и
Отсюда, интегрируя последнее
равенство, получаем:
или
формулой интегрирования по частям.
Слайд 70 Успех формулы интегрирования по частям зависит от умения правильно разбить
подынтегральное выражение на множители u и dv.
Как правило,
за u выбирается функция, которая при дифференцировании упрощается.
Иногда необходимо применять интегрирование по частям последовательно несколько раз.
Укажем некоторые часто встречающиеся интегралы, которые вычисляются методом интегрирования по частям.
Слайд 71I. Интегралы вида:
где P(x) – многочлен.
Во всех случаях за
u при
интегрировании по частям применяют
функцию, являющуюся множителем
после
P(x).
Слайд 75Контрольные вопросы:
1. В чем заключается метод непосредственного интегрирования ?
2. В
чем заключается метод интегрирования заменой?
3. В чем заключается метод
интегрирования по частям?