Калькулятор интегралов

Вычисляйте определённые и неопределённые интегралы с пошаговыми решениями на основе ИИ
integral of x^2 * sin(x) dx
integral of 1/(x^2 + 1) dx
integral from 0 to pi of sin(x) dx
integral of ln(x) dx

Что такое интеграл?

Интеграл — это фундаментальное понятие математического анализа, представляющее накопление величин. Существует два основных типа:

Неопределённый интеграл (первообразная)

Неопределённый интеграл от f(x)f(x) — это семейство функций F(x)+CF(x) + C таких, что F′(x)=f(x)F'(x) = f(x):

∫f(x) dx=F(x)+C\int f(x)\,dx = F(x) + C

где CC — постоянная интегрирования.

Определённый интеграл

Определённый интеграл вычисляет суммарную площадь со знаком под кривой f(x)f(x) от aa до bb:

∫abf(x) dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)

Это соотношение известно как основная теорема анализа, связывающая дифференцирование и интегрирование.

Геометрически определённый интеграл представляет площадь между функцией и осью xx на промежутке [a,b][a, b]. Площади над осью положительны, а под осью — отрицательны.

Интегралы имеют широкое применение в физике (работа, перемещение), технике (обработка сигналов), теории вероятностей (математические ожидания) и экономике (потребительский излишек).

Как вычислять интегралы

Основные правила интегрирования

∫xn dx=xn+1n+1+C(n≠−1)\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C \quad (n \neq -1)

∫1x dx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + C

∫ex dx=ex+C\int e^x\,dx = e^x + C

∫sin⁡x dx=−cos⁡x+C\int \sin x\,dx = -\cos x + C

∫cos⁡x dx=sin⁡x+C\int \cos x\,dx = \sin x + C

Метод 1: Замена переменной (u-подстановка)

Используется, когда подынтегральная функция содержит сложную функцию. Положите u=g(x)u = g(x), тогда du=g′(x) dxdu = g'(x)\,dx:

∫f(g(x))⋅g′(x) dx=∫f(u) du\int f(g(x)) \cdot g'(x)\,dx = \int f(u)\,du

Пример: ∫2x⋅ex2 dx\int 2x \cdot e^{x^2}\,dx. Положим u=x2u = x^2, du=2x dxdu = 2x\,dx, тогда интеграл становится ∫eu du=ex2+C\int e^u\,du = e^{x^2} + C.

Метод 2: Интегрирование по частям

Основан на правиле произведения для производных:

∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du

Выбирайте uu и dvdv по правилу LIATE (логарифмические, обратные тригонометрические, алгебраические, тригонометрические, показательные).

Пример: ∫x⋅ex dx\int x \cdot e^x\,dx. Положим u=xu = x, dv=ex dxdv = e^x\,dx. Тогда du=dxdu = dx, v=exv = e^x. Результат: xex−ex+Cxe^x - e^x + C.

Метод 3: Разложение на простейшие дроби

Для рациональных функций P(x)Q(x)\frac{P(x)}{Q(x)} разложите на более простые дроби:

∫1x2−1 dx=∫12(1x−1−1x+1)dx=12ln⁡∣x−1x+1∣+C\int \frac{1}{x^2 - 1}\,dx = \int \frac{1}{2}\left(\frac{1}{x-1} - \frac{1}{x+1}\right)dx = \frac{1}{2}\ln\left|\frac{x-1}{x+1}\right| + C

Метод 4: Тригонометрическая подстановка

Для подынтегральных функций, содержащих a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}, a2+x2\sqrt{a^2 + x^2} или x2−a2\sqrt{x^2 - a^2}:

ВыражениеПодстановкаИспользуемое тождество
a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}x=asin⁡θx = a\sin\theta1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1 - \sin^2\theta = \cos^2\theta
a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}x=atan⁡θx = a\tan\theta1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta
x2−a2\sqrt{x^2 - a^2}x=asec⁡θx = a\sec\thetasec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2\theta - 1 = \tan^2\theta

Сравнение методов

МетодЛучше всего дляКлючевой признак
Замена переменнойСложные функцииПрисутствует производная внутренней функции
По частямПроизведения разных типовПроизведение алгебраической × трансцендентной
Простейшие дробиРациональные функцииМногочлен / многочлен
Триг. подстановкаКвадратные корни из квадратичныхФормы a2±x2\sqrt{a^2 \pm x^2}

Типичные ошибки, которых следует избегать

  • Забывают постоянную интегрирования: каждый неопределённый интеграл должен содержать +C+ C. Первообразная — это семейство функций.
  • Неверное применение правила степени: ∫x−1 dx=ln⁡∣x∣+C\int x^{-1}\,dx = \ln|x| + C, а не x00\frac{x^0}{0}. Правило степени xn+1n+1\frac{x^{n+1}}{n+1} не применяется при n=−1n = -1.
  • Ошибки знака с тригонометрическими интегралами: ∫sin⁡x dx=−cos⁡x+C\int \sin x\,dx = -\cos x + C (знак минус). ∫cos⁡x dx=sin⁡x+C\int \cos x\,dx = \sin x + C (знак плюс).
  • Забывают вернуться к исходной переменной: при использовании uu-подстановки всегда преобразуйте окончательный ответ обратно к исходной переменной xx.
  • Неверные пределы в определённых интегралах: при использовании замены в определённых интегралах либо измените пределы под новую переменную, либо вернитесь к исходной переменной перед вычислением.

Examples

Step 1: Примените интегрирование по частям: положим u=x2u = x^2, dv=ex dxdv = e^x\,dx, тогда du=2x dxdu = 2x\,dx, v=exv = e^x
Step 2: Первое применение: x2ex−∫2xex dxx^2 e^x - \int 2x e^x\,dx
Step 3: Снова примените по частям к ∫2xex dx\int 2xe^x\,dx: положим u=2xu = 2x, dv=ex dxdv = e^x\,dx, что даёт 2xex−2ex2xe^x - 2e^x
Step 4: Объедините: x2ex−2xex+2ex+C=ex(x2−2x+2)+Cx^2 e^x - 2xe^x + 2e^x + C = e^x(x^2 - 2x + 2) + C
Answer: ex(x2−2x+2)+Ce^x(x^2 - 2x + 2) + C

Step 1: Заметьте, что 11+x2\frac{1}{1+x^2} — это производная arctan⁡(x)\arctan(x)
Step 2: Примените основную теорему: [arctan⁡(x)]01\left[\arctan(x)\right]_0^1
Step 3: Вычислите: arctan⁡(1)−arctan⁡(0)=π4−0=π4\arctan(1) - \arctan(0) = \frac{\pi}{4} - 0 = \frac{\pi}{4}
Answer: π4\frac{\pi}{4}

Step 1: Разложите знаменатель: x2+3x+2=(x+1)(x+2)x^2+3x+2 = (x+1)(x+2)
Step 2: Заметьте, что числитель 2x+32x+3 — это производная знаменателя x2+3x+2x^2+3x+2
Step 3: Примените формулу ∫f′(x)f(x) dx=ln⁡∣f(x)∣+C\int \frac{f'(x)}{f(x)}\,dx = \ln|f(x)| + C
Step 4: Результат: ln⁡∣x2+3x+2∣+C\ln|x^2+3x+2| + C
Answer: ln⁡∣x2+3x+2∣+C\ln|x^2+3x+2| + C

Frequently Asked Questions

Неопределённый интеграл даёт общую первообразную (функцию плюс постоянная C), а определённый интеграл вычисляет суммарную площадь под кривой между двумя конкретными пределами и даёт числовое значение.

Используйте замену переменной, когда видите сложную функцию, производная внутренней функции которой присутствует в подынтегральном выражении. Используйте интегрирование по частям, когда у вас произведение двух разных типов функций, например x на e^x или x на sin(x).

Поскольку дифференцирование уничтожает константы (производная любой константы равна нулю), существует бесконечно много первообразных, отличающихся на константу. +C представляет всё это семейство решений.

Нет. Многие функции, такие как e^(-x^2), sin(x)/x и x^x, не имеют первообразных в замкнутой форме. Их нужно вычислять численными методами или выражать через специальные функции.

Related Solvers

Related Guides

Try AI-Math for Free

Get step-by-step solutions to any math problem. Upload a photo or type your question.

Start Solving