Задание 9 · Производная и первообразная
9.4. Первообразная
Для репетитора: показать ответы
1. Что такое первообразная
Дифференцирование по заданной функции находит производную. Обратная операция — интегрирование: по производной восстанавливают исходную функцию. Её называют первообразной (образно — «родителем» производной).
Пример из физики: если закон движения \(s(t)=t^3+2t\), то скорость — его производная \(v(t)=3t^2+2\). Обратная задача: по скорости \(v(t)=3t^2\) найти закон движения. Получаем \(s(t)=t^3+C\).
2. Основное свойство первообразных
- Если \(F(x)\) — первообразная для \(f(x)\), то и \(F(x)+C\) (где \(C\) — любое число) тоже первообразная для \(f(x)\), потому что производная постоянной равна нулю.
- Любые две первообразные одной функции на промежутке отличаются на постоянную. Поэтому все первообразные записывают в виде \(F(x)+C\) — это совокупность всех первообразных, или неопределённый интеграл \(\int f(x)\,dx=F(x)+C\).
- Графики первообразных одной функции получаются друг из друга параллельным переносом вдоль оси \(Oy\).
Пример: для \(f(x)=x^2\) первообразные имеют вид \(\dfrac{x^3}{3}+C\).
3. Таблица первообразных
| \(f(x)\) | Первообразная \(F(x)\) | \(f(x)\) | Первообразная \(F(x)\) |
|---|---|---|---|
| \(k\) (число) | \(kx\) | \(\sin x\) | \(-\cos x\) |
| \(x^n\), \(n\ne-1\) | \(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\) | \(\cos x\) | \(\sin x\) |
| \(\dfrac1x\) | \(\ln|x|\) | \(\dfrac{1}{\cos^2x}\) | \(\operatorname{tg}x\) |
| \(\dfrac1{\sqrt x}\) | \(2\sqrt x\) | \(\dfrac{1}{\sin^2x}\) | \(-\operatorname{ctg}x\) |
| \(e^x\) | \(e^x\) | \(a^x\) | \(\dfrac{a^x}{\ln a}\) |
Таблицу нужно знать наизусть; она получается «разворотом» таблицы производных. Любую найденную первообразную можно проверить дифференцированием: её производная должна совпасть с исходной функцией.
4. Три правила нахождения первообразных
- Сумма. Первообразная суммы равна сумме первообразных: если \(F\) — первообразная для \(f\), а \(G\) — для \(g\), то \(F+G\) — первообразная для \(f+g\).
- Постоянный множитель. Если \(F\) — первообразная для \(f\), то \(kF\) — первообразная для \(kf\).
- Линейная замена аргумента. Если \(F(x)\) — первообразная для \(f(x)\), то \(\dfrac1k F(kx+b)\) — первообразная для \(f(kx+b)\), где \(k\ne0\).
Примеры: для \(f(x)=x^3+5x^4\) получаем \(F(x)=\dfrac{x^4}{4}+x^5+C\); для \(f(x)=\dfrac{1}{\sqrt x}-\dfrac1{x^2}\) — \(F(x)=2\sqrt x+\dfrac1x+C\).
Если известно, что график первообразной проходит через заданную точку, постоянную \(C\) находят подстановкой координат этой точки. Например, для \(f(x)=\dfrac1{\cos^2x}\) и точки \(\left(\dfrac\pi4;-1\right)\): \(\operatorname{tg}\dfrac\pi4+C=-1\), откуда \(C=-2\) и \(F(x)=\operatorname{tg}x-2\).
5. Первообразная и площадь. Формула Ньютона — Лейбница
Криволинейная трапеция — фигура, ограниченная графиком непрерывной неотрицательной на отрезке \([a;b]\) функции \(f(x)\), осью \(Ox\) и прямыми \(x=a\), \(x=b\).
Так как значение \(F(b)-F(a)\) не зависит от выбора постоянной \(C\), при вычислении можно брать любую удобную первообразную, например без свободного члена.
6. Связь графиков \(f\) и \(F\)
- Где \(F(x)\) возрастает, там \(f(x)>0\); где \(F(x)\) убывает, там \(f(x)<0\).
- В точках, где у графика \(F\) горизонтальная касательная (в частности, в точках экстремума), \(F'(x)=0\), а значит, \(f(x)=0\). Нули \(f\) по графику \(F\) ищут именно так — только внутри заданного отрезка.
- Если \(f\) на отрезке — простая фигура (например, трапеция или треугольник), разность \(F(b)-F(a)\) находят как площадь этой фигуры по геометрическим формулам.
- Если нет вертикальных границ, основания фигуры сводятся к точкам пересечения графика с осью \(Ox\); дальше применяют тот же метод.
- Отрицательное значение площади: площадь всегда положительна.
- Слишком большой результат (сотни квадратных единиц) — такие ответы в заданиях ЕГЭ маловероятны, результат нужно проверять на правдоподобие.
Разобранные примеры
Пример 1
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
Решение
Разность значений первообразной в точках 5 и 3 равна площади выделенной на рисунке трапеции. Поэтому
Пример 2
На рисунке изображён график функции
которая является одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
Решение
По определению первообразной на интервале (−2; 4) справедливо равенство
Следовательно, решениями уравнения f(x) = 0 являются точки экстремумов изображенной на рисунке функции F(x) Из них на отрезке [−1; 3] лежат 8 точек. Таким образом, на отрезке [−1; 3] уравнение f(x) = 0 имеет 8 решений.
Ответ: 8.
Пример 3
На рисунке изображён график функции
Функция
—
Найдите площадь закрашенной фигуры.
Решение
Площадь выделенной фигуры равна разности значений первообразных, вычисленных в точках 11 и 9. Получаем:
Ответ: 6.
- «Решение заданий ЕГЭ по математике профильного уровня по теме «Первообразная и площадь криволинейной трапеции» (задание №8 в модели КИМ 2025 года)», И. В. Гришина, ГАОУ СО «Гимназия № 1» (Саратов)
- «Первообразная: график функции, формулы, правила нахождения, свойства для 11 класса», статья на kp.ru
- «Первообразная», презентация к учебнику А. Г. Мордковича «Алгебра и начала математического анализа 10–11», О. В. Былинкина, urok.1sept.ru
- «Первообразная и её применение в школьном курсе математики», выпускная квалификационная работа М. И. Гусевой, НИУ «БелГУ», 2017
- «Неопределённый интеграл. Основные методы интегрирования», лекция, elearning.volgmed.ru
- «Первообразная», Википедия (ru.wikipedia.org)
- Решу ЕГЭ, математика профильного уровня (math-ege.sdamgia.ru): условия и решения разобранных примеров
- У1
На рисунке изображён график функции
одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- У2
На рисунке изображён график функции y = f(x). Функция
— одна из первообразных функции y = f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У3
На рисунке изображён график функции
одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- У4
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У5
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- У6
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У7
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У8
На рисунке изображён график функции
— одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- У9
На рисунке изображён график функции y = F(x) — одной из первообразных функции f(x), определённой на интервале (−4; 3). Найдите количество решений уравнения f(x) = 0 на отрезке [−3; 1].
- У10
На рисунке изображён график дифференцируемой функции
определённой на интервале (−10; 3). Найдите количество решений уравнения
на отрезке [−7,5; −2,5].
- У11
На рисунке изображён график некоторой функции y = f(x). Функция
— одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У12
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У13
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У14
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У15
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- У16
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У17
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У18
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- У19
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У20
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.—
- У21
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- У22
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- У23
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.—
- У24
На рисунке изображён график функции
определённой
на интервале (–3; 11). Найдите наименьшее значение функции f(x) на отрезке [2; 9,5]. - У25
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.—
- Д1
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д2
На рисунке изображен график некоторой функции
Пользуясь рисунком, вычислите определенный интеграл
- Д3
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д4
На рисунке изображён график функции
— одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- Д5
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д6
На рисунке изображён график функции
— одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- Д7
На рисунке изображён график функции
— одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- Д8
На рисунке изображён график функции y = F(x) — одной из первообразных функции f(x), определённой на интервале (−3; 4). Найдите количество решений уравнения f(x) = 0 на отрезке [−2; 3].
- Д9
На рисунке изображён график дифференцируемой функции
определённой на интервале (−1; 10). Найдите количество решений уравнения
на отрезке [4; 8].
- Д10
На рисунке изображён график функции
и одной из первообразных некоторой функции
определённой на интервале
Пользуясь рисунком, определите количество решений уравнения
на отрезке
- Д11
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д12
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д13
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д14
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д15
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.—
- Д16
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д17
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д18
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.—
- Д19
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д20
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д21
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции f(x). Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д22
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции
- Д23
На рисунке изображён график некоторой функции
Функция
— одна из первообразных функции
Найдите площадь закрашенной фигуры.
- Д24
На рисунке изображён график некоторой функции
(два луча с общей начальной точкой). Пользуясь рисунком, вычислите
где
— одна из первообразных функции