Перейти до основного вмісту
Каталог

Визначений інтеграл і формула Ньютона–Лейбніца

~15 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань

Похідна та інтеграл
Математика НМТ

Обчислюй визначений інтеграл за формулою Ньютона–Лейбніца: застосовуй таблицю первісних, лінійність, адитивність, знаходь невідомі межі інтегрування та шлях тіла через інтеграл від швидкості.

Визначений інтеграл і формула Ньютона–Лейбніца

У цьому розділі ти познайомишся з поняттям визначеного інтеграла — одним із найважливіших інструментів математичного аналізу. На відміну від невизначеного інтеграла (первісної), який є сім'єю функцій, визначений інтеграл — це конкретне число.

Запис ∫ₐᵇ f(x) dx читають: «інтеграл від a до b еф від ікс де ікс». Тут:

  • a — нижня межа інтегрування;

  • b — верхня межа інтегрування (a ≤ b, хоча можливий і випадок a > b);

  • f(x) — підінтегральна функція;

  • dx — диференціал, який показує, за якою змінною інтегруємо.

Формула Ньютона–Лейбніца

Основний спосіб обчислення визначеного інтеграла дає формула Ньютона–Лейбніца:

де F — будь-яка первісна функції f на проміжку [a; b]. Іншими словами: спочатку знаходимо первісну F(x), потім обчислюємо її значення у верхній межі b і віднімаємо значення в нижній межі a.

На практиці часто використовують скорочений запис:

Вертикальна риска з межами означає «підставити межі й відняти».

Чому не пишуть сталу C?

Ти вже знаєш, що первісна визначається з точністю до сталої: F(x) + C. Підставимо в формулу:

Стала C скорочується, тому її можна не писати. Це важливо: у відповіді до визначеного інтеграла ніколи не дописують «+ C».

Приклад обчислення

Обчислимо ∫₀² (3x² − 1) dx.

  1. Знаходимо первісну: F(x) = x³ − x (бо (x³)' = 3x², (x)' = 1).

  2. Записуємо: (x³ − x)|₀².

  3. Обчислюємо: F(2) = 2³ − 2 = 8 − 2 = 6; F(0) = 0³ − 0 = 0.

  4. Віднімаємо: 6 − 0 = 6.

Отже, ∫₀² (3x² − 1) dx = 6.

Геометричний зміст (коротко)

Якщо f(x) ≥ 0 на проміжку [a; b], то визначений інтеграл дорівнює площі криволінійної трапеції — фігури, обмеженої графіком функції y = f(x), віссю Ox і прямими x = a, x = b. Докладно про площі йтиметься в наступному юніті «Площа криволінійної трапеції та інтеграл за графіком».

За програмою НМТ формула Ньютона–Лейбніца належить до профільного рівня (П). Вона є в довідкових матеріалах, які ти отримаєш на тестуванні, і потрібна для обчислення площ фігур.

Інтеграли від табличних функцій

У цьому розділі навчимося обчислювати визначені інтеграли від основних табличних функцій: степеневих, показникової, тригонометричних. Головне — правильно знайти первісну за таблицею й акуратно підставити межі.

Степеневі функції

Для степеневої функції xⁿ (n ≠ −1) первісною є xⁿ⁺¹/(n+1). Розглянемо кілька прикладів.

Приклад 1. ∫₁³ x² dx. Первісна: F(x) = x³/3. Тоді:

Приклад 2. ∫₁⁴ √x dx. Запишемо √x як x^{1/2}. Первісна: F(x) = (2/3)x^{3/2}. Тоді:

Приклад 3. ∫₁² dx/x². Запишемо 1/x² як x⁻². Первісна: F(x) = −1/x. Тоді:

Інші табличні функції

Розглянемо інтеграли від функції 1/x (її первісна — ln x), показникової та тригонометричних функцій.

Увага: F(0) не завжди дорівнює нулю

Поширена помилка — вважати, що значення первісної в нулі завжди нуль. Це не так! Наприклад:

  • Для eˣ первісна eˣ: F(0) = e⁰ = 1.

  • Для sin x первісна −cos x: F(0) = −cos 0 = −1.

  • Для cos x первісна sin x: F(0) = sin 0 = 0 — тут пощастило.

Висновок: нижню межу підставляємо завжди, не здогадуючись, чи дасть вона нуль.

Від'ємна нижня межа

Коли нижня межа від'ємна, обов'язково беріть її в дужки, щоб не помилитися зі знаком.

Приклад. ∫₋₁² (2x + 1) dx. Первісна: F(x) = x² + x. Тоді:

Інтеграл може бути від'ємним або нулем

Визначений інтеграл не завжди додатний. Він може дорівнювати нулю або бути від'ємним.

Приклад. ∫₀² (x − 2) dx. Первісна: F(x) = x²/2 − 2x. Тоді:

Приклад. ∫₋₁¹ x³ dx. Первісна: F(x) = x⁴/4. Тоді:

Запам'ятай: визначений інтеграл — це число. Воно може бути додатним, від'ємним або нулем. Сталу C до відповіді не дописують.

Властивості визначеного інтеграла

Визначений інтеграл має кілька важливих властивостей, які значно спрощують обчислення. Їх варто знати, бо в довідкових матеріалах НМТ цих властивостей немає.

Лінійність

Інтеграл від суми (різниці) функцій дорівнює сумі (різниці) інтегралів:

Сталий множник можна виносити за знак інтеграла:

Ці дві властивості разом називають лінійністю інтеграла. Вони дозволяють інтегрувати многочлен почленно, а потім додавати результати.

Властивості меж інтегрування

Якщо верхня й нижня межі збігаються, інтеграл дорівнює нулю:

Якщо поміняти межі місцями, інтеграл змінює знак:

Це випливає з формули Ньютона–Лейбніца: F(a) − F(b) = −(F(b) − F(a)).

Адитивність за проміжком

Якщо проміжок [a; c] розбити на дві частини [a; b] і [b; c], то інтеграл по всьому проміжку дорівнює сумі інтегралів по частинах:

Це працює для будь-якого розташування точок a, b, c, якщо враховувати знаки.

Приклад. Відомо, що ∫₀³ f(x) dx = 5 і ∫₀⁷ f(x) dx = 12. Знайдемо ∫₃⁷ f(x) dx:

Поєднання властивостей без формули f

Іноді треба обчислити інтеграл, знаючи лише значення інтеграла від f(x), а не саму функцію. Наприклад, якщо ∫₀³ f(x) dx = 5, то:

Тут ∫₀³ 1 dx = 3, бо інтеграл від сталої 1 на проміжку довжиною 3 дорівнює 3. Взагалі, ∫ₐᵇ 1 dx = b − a — це довжина проміжку інтегрування.

Кусково задані функції

Якщо функція задана різними формулами на різних частинах проміжку, її інтегрують частинами, застосовуючи адитивність. Наприклад, якщо:

то ∫₀³ f(x) dx = ∫₀¹ x² dx + ∫₁³ 2x dx. Кожен інтеграл обчислюємо окремо за своєю формулою.

Властивостей інтеграла (лінійність, адитивність, переставлення меж) у довідкових матеріалах НМТ немає — їх треба знати напам'ять.

Невідома межа й задачі, що зводяться до інтеграла

У цьому розділі розглянемо, як знаходити невідому межу інтегрування або невідомий коефіцієнт у підінтегральній функції, коли відоме значення інтеграла. Також навчимося застосовувати визначений інтеграл для обчислення шляху тіла за його швидкістю.

Невідома межа інтегрування

Якщо відоме значення визначеного інтеграла, а одна з меж невідома, складають рівняння за формулою Ньютона–Лейбніца й розв'язують його. Важливо перевірити, чи задовольняє знайдений корінь умову задачі.

Приклад 1. Знайдіть додатне значення b, при якому ∫₀ᵇ 2x dx = 9.

Розв'язання. Первісна: F(x) = x². За формулою Ньютона–Лейбніца:

Маємо рівняння b² = 9, звідки b = 3 або b = −3. За умовою b > 0, тому b = 3. Від'ємний корінь b = −3 відкидаємо.

Приклад 2. Знайдіть b, при якому ∫₁ᵇ dx/x = 2.

Розв'язання. Первісна: F(x) = ln x. Тоді:

Маємо ln b = 2, звідки b = e². Оскільки e² > 1, умова задачі виконується.

Невідомий коефіцієнт

Іноді невідомим є не межа, а коефіцієнт у підінтегральній функції. Діємо аналогічно: обчислюємо інтеграл, прирівнюємо до заданого числа й розв'язуємо рівняння.

Приклад. Знайдіть k, якщо ∫₀¹ (kx + 1) dx = 3.

Розв'язання. Первісна: F(x) = k·x²/2 + x. Тоді:

Маємо рівняння k/2 + 1 = 3, звідки k/2 = 2, отже k = 4.

Шлях тіла за його швидкістю

Одне з фізичних застосувань визначеного інтеграла — обчислення шляху, пройденого тілом за проміжок часу, якщо відома його швидкість v(t). Якщо v(t) ≥ 0 на проміжку [t₁; t₂], то шлях s дорівнює:

Це випливає з того, що швидкість — похідна шляху, тому шлях — первісна швидкості.

Приклад. Тіло рухається прямолінійно зі швидкістю v(t) = 3t² + 2t (м/с). Який шлях воно подолає за перші 2 секунди?

Розв'язання. Шукаємо інтеграл від 0 до 2:

Відповідь: 12 м.

Формат відповіді

У завданнях з короткою відповіддю на НМТ результат треба записати десятковим дробом. Звичайні дроби перетворюють у десяткові:

  • 1/2 → 0,5

  • −3/4 → −0,75

  • 26/3 = 8,(6) — скінченним десятковим дробом не записати; якщо умова вимагає округлити (наприклад, до сотих), записують 8,67 (до тисячних — 8,667); просто відкидати цифри (8,666) не можна

Сталу C до відповіді не дописуємо — визначений інтеграл це число, а не сім'я функцій.

Розбираємо завдання

Розгляньмо чотири типові задачі на визначений інтеграл, які можуть трапитися на НМТ. Кожну розв'яжемо покроково й проаналізуємо типові помилки.

Приклад 1. Обчислення інтеграла від многочлена

Завдання. Обчисліть ∫₁² (6x² − 2x) dx. Відповідь запишіть десятковим дробом.

Розв'язання.

  1. Знаходимо первісну: F(x) = 2x³ − x² (бо (2x³)' = 6x², (x²)' = 2x).

  2. Обчислюємо F(2) = 2·8 − 4 = 16 − 4 = 12.

  3. Обчислюємо F(1) = 2·1 − 1 = 2 − 1 = 1.

  4. За формулою Ньютона–Лейбніца: F(2) − F(1) = 12 − 1 = 11.

Відповідь: 11.

Розбір пасток:

  • 12 — якщо не відняти F(1), а взяти лише F(2).

  • −11 — якщо обчислити F(1) − F(2) замість F(2) − F(1).

  • 16 — якщо підставити межі в підінтегральну функцію: f(2) − f(1) = (24 − 4) − (6 − 2) = 20 − 4 = 16.

Приклад 2. Інтеграл від тригонометричної функції

Завдання. Обчисліть ∫₀^π sin x dx.

Розв'язання. Первісна sin x дорівнює −cos x. Тоді:

Відповідь: 2.

Розбір дистракторів:

  • −2 — якщо взяти первісною cos x замість −cos x: cos π − cos 0 = −1 − 1 = −2.

  • 0 — якщо обчислити sin π − sin 0 = 0 − 0 = 0 (межі підставлено в підінтегральну функцію).

  • 1 — якщо не відняти значення первісної в нижній межі (вважати F(0) = 0): −cos π = 1.

  • π — якщо сплутати з інтегралом від сталої.

Приклад 3. Використання властивостей

Завдання. Відомо, що ∫₁⁵ f(x) dx = 8 і ∫₁³ f(x) dx = 3. Обчисліть ∫₃⁵ (2f(x) − 1) dx.

Розв'язання. Спочатку знайдемо ∫₃⁵ f(x) dx за адитивністю:

Тепер обчислимо шуканий інтеграл:

Відповідь: 8.

Розбір дистракторів:

  • 10 — якщо не відняти інтеграл від −1 (забули про сталий доданок).

  • 9 — якщо відняти 1 замість 2 (довжина проміжку 2, а не 1).

  • 20 — якщо додати інтеграли замість віднімання: ∫₃⁵ f(x) dx = 8 + 3 = 11, тоді 2 · 11 − 2 = 20.

  • 5 — якщо взяти лише ∫₃⁵ f(x) dx без множення на 2 і віднімання.

Приклад 4. Невідома межа інтегрування

Завдання. Знайдіть додатне значення b, при якому ∫₀ᵇ (2x − 1) dx = 6.

Розв'язання. Первісна: F(x) = x² − x. За формулою Ньютона–Лейбніца:

Маємо рівняння b² − b = 6, тобто b² − b − 6 = 0. Розв'язуємо: D = 1 + 24 = 25, корені b = (1 ± 5)/2, тобто b = 3 або b = −2. За умовою b > 0, тому b = 3.

Відповідь: 3.

Пастка: записати −2 або обидва корені «3; −2». Умова вимагає лише додатне значення, тому від'ємний корінь відкидаємо.

Типові помилки й пастки

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час обчислення визначених інтегралів. Уникай їх — і твої шанси на високий бал зростуть.

  • Обчислюють F(a) − F(b) замість F(b) − F(a). Формула Ньютона–Лейбніца вимагає від значення у верхній межі відняти значення в нижній. Запам'ятай: «верх мінус низ».

  • Підставляють межі в підінтегральну функцію, а не в первісну: f(b) − f(a). Це груба помилка: спочатку знаходять первісну F(x), і тільки потім підставляють межі.

  • Вважають F(0) = 0 і не підставляють нижню межу, коли первісна — eˣ або −cos x (підінтегральні функції eˣ і sin x). Для eˣ первісна eˣ дає F(0) = 1, для −cos x дає F(0) = −1. Нижню межу підставляємо завжди.

  • Беруть первісною sin x функцію cos x замість −cos x. Похідна cos x дорівнює −sin x, тому первісною sin x є −cos x, а не cos x.

  • Помиляються в знаках при від'ємній нижній межі, не беручи її в дужки. Наприклад, для межі −1 записують −1² замість (−1)², отримуючи −1 замість 1. Завжди став від'ємне число в дужки.

  • Дописують сталу C до значення визначеного інтеграла. Визначений інтеграл — це число, а не сім'я функцій. Стала C скорочується, її не пишуть.

  • У рівнянні з невідомою межею не відкидають корінь, що не задовольняє умову. Якщо в задачі сказано «додатне значення b», то від'ємний корінь треба відкинути, навіть якщо він математично правильний.

Як це перевіряють на НМТ

Розгляньмо, як саме тема «Визначений інтеграл» представлена в програмі НМТ і в якому форматі її можуть запитати на тестуванні.

Місце в програмі

Тема програми «Первісна та визначений інтеграл. Застосування визначеного інтеграла для обчислення площ плоских фігур» (розділ «Функції») містить:

  • Означення визначеного інтеграла — рівень стандарту (базова підготовка).

  • Формула Ньютона–Лейбніца й «нескладні задачі, що зводяться до знаходження інтеграла» — профільний рівень (П).

НМТ з математики — єдиний тест для всіх учасників: окремих тестів стандартного й профільного рівнів немає. Формулу Ньютона–Лейбніца програма відносить до профільного рівня, але обчислення площі плоскої фігури за допомогою інтеграла — рівень стандарту; у демоваріанті НМТ-2026 цьому присвячено завдання 12. Тому цю тему треба опрацювати всім.

Довідкові матеріали

На НМТ ти отримаєш довідкові матеріали, у яких є:

  • Формула Ньютона–Лейбніца: ∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a).

  • Таблиця первісних (для степеневої, показникової, тригонометричних функцій).

Властивостей інтеграла (лінійність, адитивність, переставлення меж) у довідкових матеріалах немає — їх треба знати напам'ять.

Формат завдань

У демоваріанті НМТ-2026 інтеграл трапляється як завдання 12: площа фігури через визначений інтеграл, вибір однієї відповіді з п'яти (А–Д), 0 або 1 бал.

У вибірці з чотирьох тестів 2023–2024 років на позиції 19 в одному тесті був інтеграл. Завдання з короткою відповіддю (число) оцінюється в 0 або 2 бали — без часткових балів.

Стратегія обчислення

Щоб уникнути помилок, дотримуйся такого порядку:

  1. Випиши первісну F(x) за таблицею.

  2. Окремо обчисли F(b) і F(a), записавши їх у дужках.

  3. Лише потім відніми: F(b) − F(a).

  4. Перевір, чи не треба відкинути зайві корені (для задач з невідомою межею).

  5. Запиши відповідь десятковим дробом (для короткої відповіді).

Пам'ятай: визначений інтеграл — це число. Сталу C не дописуй, а результат може бути від'ємним.

Питання й відповіді

Тут зібрано відповіді на найчастіші запитання про визначений інтеграл і формулу Ньютона–Лейбніца.

Чому у формулі Ньютона–Лейбніца не пишуть сталу C?

Бо вона скорочується. Якщо взяти первісну F(x) + C, то (F(b) + C) − (F(a) + C) = F(b) − F(a). Стала C зникає, тому її можна не писати. Визначений інтеграл — це число, а не сім'я функцій, тому «+ C» у відповіді не потрібна.

Чи може визначений інтеграл бути від'ємним?

Так, може. Визначений інтеграл дорівнює різниці F(b) − F(a). Якщо F(b) < F(a), то інтеграл буде від'ємним. Наприклад, ∫₀² (x − 2) dx = −2. Геометрично це означає, що площа під графіком розташована переважно нижче осі Ox.

Що буде, якщо поміняти межі інтегрування місцями?

Інтеграл змінить знак на протилежний: інтеграл від b до a дорівнює −∫ₐᵇ f(x) dx. Це випливає з формули Ньютона–Лейбніца: F(a) − F(b) = −(F(b) − F(a)). Наприклад, ∫₂⁰ 2x dx = −∫₀² 2x dx = −4.

Чи є формула Ньютона–Лейбніца в довідкових матеріалах НМТ?

Так, формула Ньютона–Лейбніца та таблиця первісних є в довідкових матеріалах, які ти отримаєш на тестуванні. А от властивостей інтеграла (лінійність, адитивність, переставлення меж) там немає — їх треба знати напам'ять.

Як знайти межу інтегрування, якщо відоме значення інтеграла?

Склади рівняння за формулою Ньютона–Лейбніца. Обчисли інтеграл із невідомою межею b, прирівняй до заданого числа й розв'яжи рівняння. Не забудь перевірити, чи задовольняє знайдений корінь умову задачі (наприклад, b > 0). Якщо коренів два, залиш той, що відповідає умові.

Коротко: головне

Підсумуймо найважливіше з теми «Визначений інтеграл і формула Ньютона–Лейбніца».

  • ∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a): значення у верхній межі мінус значення в нижній. Запам'ятай: «верх мінус низ».

  • Сталу C не пишемо — вона скорочується. Визначений інтеграл — це число, а не сім'я функцій.

  • Визначений інтеграл — число, воно може бути від'ємним чи нулем. Не лякайся, якщо результат вийшов від'ємним.

  • Властивості: сума, сталий множник, адитивність, зміна знака при переставленні меж. Їх немає в довідкових матеріалах — вивчи їх.

  • Межі підставляємо в первісну, а не в підінтегральну функцію. Спочатку F(x), потім F(b) − F(a).

  • Невідома межа — рівняння F(b) − F(a) = c з відбором коренів за умовою. Від'ємні корені відкидаємо, якщо в задачі сказано «додатне значення».