Формула Ньютона — Лейбница: как вычислить определённый интеграл и площадь фигуры

Формула Ньютона — Лейбница: как вычислить определённый интеграл и площадь фигуры
Коротко

Формула Ньютона — Лейбница связывает определённый интеграл с первообразной: ∫ₐᵇ f(x)dx = F(b) − F(a).

  • Алгоритм — найди первообразную F для функции f и вычти её значение в левом конце отрезка из значения в правом.
  • Без пределов — пределы и бесконечные суммы не понадобятся: определённый интеграл вычисляют через два значения первообразной.
  • На ЕГЭ — формула нужна тебе прежде всего для того, чтобы найти площадь криволинейной трапеции через первообразную.
  • Пример: на рисунке дан график F(x), а f ≥ 0 на отрезке. Тогда площадь фигуры под графиком f(x) между двумя вертикальными прямыми равна разности двух значений F.
  • Значения F — оба значения читаются с графика.

Как это спрашивают на экзамене

Типовые формулировки

Типичные формулировки заданий:

«По графику первообразной F(x) найти площадь закрашенной фигуры под f(x) между x = a и x = b».
«Найти F(x₀), если известны f(x) и F(a)».
«По графику F(x) найти число решений f(x) = 0 на отрезке».

Главное: все три проверяют одно умение — переходить от F к f и обратно.

Если дан график F, а спрашивают про f, помни, что f — производная F. Читай график через возрастание и убывание. Решения f(x) = 0 — это все точки графика F с горизонтальной касательной, а не только точки экстремума.

Первообразная: определение и таблица

Основное понятие темы — первообразная. Функция F(x) называется первообразной для функции f(x) на промежутке, если F′(x) = f(x) для всех x из этого промежутка.

Первообразная определена неоднозначно: если F(x) подходит, то подходит и F(x) + C при любой константе C. Все первообразные функции f записываются как F(x) + C.

Каждую строку таблицы можно проверить дифференцированием. Делай это всякий раз, когда сомневаешься.

f(x) F(x) Проверка производной
k kx + C (kx + C)′ = k
xⁿ xⁿ⁺¹/(n + 1) + C, n ≠ −1 (xⁿ⁺¹/(n + 1) + C)′ = xⁿ
1/x ln|x| + C (ln|x| + C)′ = 1/x
eˣ eˣ + C (eˣ + C)′ = eˣ
aˣ aˣ/ln a + C (aˣ/ln a + C)′ = aˣ
sin x −cos x + C (−cos x + C)′ = sin x
cos x sin x + C (sin x + C)′ = cos x
1/cos²x tg x + C (tg x + C)′ = 1/cos²x
1/sin²x −ctg x + C (−ctg x + C)′ = 1/sin²x

Формулы работают при условиях:

  • для aˣ нужно a > 0 и a ≠ 1;
  • формулы для 1/x, 1/cos²x и 1/sin²x применяют на промежутках, где эти функции определены:
  • для 1/x — на промежутке, не содержащем 0;
  • для 1/cos²x — где cos x ≠ 0;
  • для 1/sin²x — где sin x ≠ 0.

Таблицу расширяют три правила:

  1. Сумма: первообразная суммы равна сумме первообразных.
  2. Постоянный множитель выносится: первообразная для k·f(x) — это k·F(x).
  3. Сдвиг и сжатие: если F′(x) = f(x) и k ≠ 0, то первообразная для f(kx + b) — это (1/k)F(kx + b).

Пример: для cos 3x первообразная равна (1/3)sin 3x + C.

Запомни и связь с графиком:

  • там, где f > 0, первообразная F возрастает; где f < 0 — убывает;
  • нули f — стационарные точки F: касательная к графику F там горизонтальна;
  • экстремум F бывает только в тех нулях, где f меняет знак.

На этой связи построены задания с графиком первообразной.

Формула Ньютона — Лейбница и условия применимости

Точная формулировка. Если f непрерывна на отрезке [a; b] и F — любая её первообразная на этом отрезке, то

∫ₐᵇ f(x)dx = F(b) − F(a) = F(x)|ₐᵇ.

Запись F(x)|ₐᵇ читается как «подстановка от a до b» и означает F(b) − F(a). Константа C при подстановке сокращается: какую первообразную ты ни возьмёшь, результат один.

Оба условия существенны.

Условие Зачем Что бывает при нарушении
f непрерывна на отрезке [a; b] Формулу применяют для функции, непрерывной на всём отрезке У 1/x² на [−1; 1] разрыв в нуле, формальный счёт неверен
F — первообразная f на всём отрезке [a; b] Нужны значения одной первообразной на обоих концах отрезка Формулу нельзя применять через участок, где первообразная не задана

Пример: допустим, ты формально подставил −1/x в концы отрезка [−1; 1] для функции 1/x². Получится −2, хотя 1/x² всюду положительна. Счёт через точку разрыва даёт бессмыслицу.

Про знак: если f < 0 на всём отрезке, интеграл отрицателен, а площадь фигуры равна его модулю.

Площадь криволинейной трапеции: что именно в кодификаторе

Криволинейная трапеция — фигура, ограниченная графиком непрерывной функции y = f(x), осью Ox и прямыми x = a и x = b. Если f ≥ 0 на отрезке, её площадь S = F(b) − F(a).

Когда функция меняет знак, интеграл даёт ориентированную площадь: участки, где f < 0, входят в него с минусом. Геометрическую площадь считают по формуле

S = ∫ₐᵇ |f(x)| dx.

На практике отрезок делят нулями f на части, на каждой считают интеграл и складывают модули результатов. Различай два вопроса, «найти интеграл» и «найти площадь»: ответы могут не совпасть.

Площадь между двумя графиками на [a; b] равна

S = ∫ₐᵇ (f_верхняя(x) − f_нижняя(x)) dx.

Если графики пересекаются внутри отрезка, его делят в точках пересечения: на каждой части верхней оказывается своя функция.

В кодификаторе профильного ЕГЭ тема входит в раздел о первообразной и интеграле. От тебя ждут знания формул первообразных элементарных функций и умения находить с их помощью площадь криволинейной трапеции.

Два счётных примера.

Пример 1. Площадь под параболой y = x² на [0; 2]:

∫₀² x² dx = x³/3 |₀² = 8/3 − 0 = 8/3.

Пример 2. Площадь под y = 4 − x² на [−2; 2]:

∫₋₂² (4 − x²)dx = (4x − x³/3)|₋₂² = (8 − 8/3) − (−8 + 8/3) = 32/3.

Если график симметричен, как здесь, ответ легко проверить: посчитай интеграл от 0 до 2 и удвой. Выйдет те же 32/3.

Разбор задания

Условие: «На рисунке график y = F(x) — одной из первообразных f(x). Найдите площадь фигуры под графиком f между x = 1 и x = 3».

Решаем по шагам.

  1. Проверяем знак f. На рисунке F возрастает на всём отрезке [1; 3], поэтому f = F′ ≥ 0 и интеграл равен площади.
  2. По формуле Ньютона — Лейбница S = F(3) − F(1).
  3. Читаем значения с графика и подставляем: S = 15,5 − 9,5 = 6.
  4. Ответ: 6.

Если бы F на отрезке где-то убывала, разность F(3) − F(1) дала бы только интеграл, а не площадь. Тогда отрезок делят в точках, где F меняет характер монотонности, и складывают модули разностей.

Ошибки, за которые снимают баллы

  • Вычитают значения в обратном порядке. F(a) − F(b) даёт ответ с противоположным знаком. В формуле значение на верхнем пределе стоит первым: F(b) − F(a).
  • Забывают модуль, когда график лежит под осью Ox. Интеграл там отрицателен, а площадь отрицательной не бывает. Если функция меняет знак, модуль всего интеграла тоже не спасёт: раздели отрезок по нулям f и сложи модули интегралов по частям.
  • Путают f и F на рисунке. Если дан график первообразной, значения для площади читаются с него напрямую, интегрировать не нужно. С графика самой f читают знаки и нули, но не значения F.
  • Считают через точку разрыва. Например, для 1/x² на [−1; 1] формула неприменима: в нуле функция терпит разрыв.
  • Не проверяют первообразную производной. Ошибка в коэффициенте, особенно в правиле для f(kx + b), даёт неверный ответ. Продифференцируй свою F: должна получиться исходная f.

Шпаргалка

Перед экзаменом пробеги этот список.

  1. Формула: ∫ₐᵇ f(x)dx = F(b) − F(a), где F′(x) = f(x); запись F(x)|ₐᵇ означает ту же разность.
  2. Условия: f непрерывна на отрезке, F — её первообразная на всём отрезке.
  3. Площадь трапеции: при f ≥ 0 разность F(b) − F(a) равна площади криволинейной трапеции. При смене знака S = ∫ₐᵇ |f(x)| dx: отрезок делят по нулям f и складывают модули интегралов.
  4. Площадь между графиками: ∫(f_верхняя − f_нижняя)dx, при пересечении графиков — по частям.
  5. Правило сдвига и сжатия: первообразная для f(kx + b) при k ≠ 0 — это (1/k)F(kx + b).
  6. Связь графиков: f > 0 → F возрастает; нули f → стационарные точки F; экстремум F — там, где f меняет знак.

Если из всего списка учить одно, учи саму формулу и таблицу первообразных: остальное выводится из них.

Проверь себя

Реши без подсказок, а потом сверься с ответами.

Вычисли ∫₀² x dx.

2

Найди площадь фигуры под графиком y = sin x на отрезке [0; π].

2

Вычисли ∫₁³ x² dx.

26/3

Найди площадь фигуры между графиками y = x и y = x² на отрезке [0; 1].

1/6

Другие статьи по теме