Całka nieoznaczona funkcji f to zbiór wszystkich jej funkcji pierwotnych, czyli takich funkcji F, że F′(x)=f(x). Zapisujemy ∫f(x)dx=F(x)+C, gdzie C to dowolna stała. Każdy wzór z tablicy można więc sprawdzić, licząc pochodną prawej strony - wzory na pochodne zebrane są w tablicy pochodnych.
Całki funkcji potęgowych
∫0dx=C, ∫1dx=x+C;
∫xndx=n+1xn+1+C dla n=−1;
∫x1dx=ln∣x∣+C - to jest brakujący przypadek n=−1;
∫xdx=32xx+C;
∫x21dx=−x1+C.
Całki funkcji wykładniczych i logarytmicznych
∫exdx=ex+C;
∫axdx=lnaax+C dla a>0, a=1;
∫lnxdx=xlnx−x+C (wyprowadzenie niżej, przez części);
∫f(x)f′(x)dx=ln∣f(x)∣+C - licznik jest pochodną mianownika.
Całki funkcji trygonometrycznych
∫sinxdx=−cosx+C;
∫cosxdx=sinx+C;
∫cos2x1dx=tgx+C;
∫sin2x1dx=−ctgx+C;
∫tgxdx=−ln∣cosx∣+C;
∫ctgxdx=ln∣sinx∣+C.
Całki prowadzące do funkcji cyklometrycznych i logarytmu
Dla stałej a>0:
∫1+x21dx=arctgx+C;
∫x2+a21dx=a1arctgax+C;
∫1−x21dx=arcsinx+C;
∫a2−x21dx=arcsinax+C;
∫x2−a21dx=2a1lnx+ax−a+C;
∫x2+k1dx=lnx+x2+k+C dla k=0.
Własności całki nieoznaczonej
Całka jest liniowa - stałą można wyciągnąć przed znak całki, a całkę sumy rozbić na sumę całek:
∫(αf(x)+βg(x))dx=α∫f(x)dx+β∫g(x)dx.
Przykład.∫(3x2−4x+5)dx=x3−2x2+5x+C.
Uwaga: nie ma prostego wzoru na całkę iloczynu ani ilorazu - do tego służą dwie metody poniżej.
Całkowanie przez podstawienie
Jeśli pod całką występuje funkcja wewnętrzna g(x) razy jej pochodna, podstawiamy t=g(x), dt=g′(x)dx:
∫f(g(x))g′(x)dx=∫f(t)dt.
Przykład.∫2xcos(x2)dx. Podstawiamy t=x2, dt=2xdx:
∫costdt=sint+C=sin(x2)+C.
Przykład.∫xex2dx. Podstawiamy t=x2, dt=2xdx, czyli xdx=21dt:
21∫etdt=21ex2+C.
Całkowanie przez części
Wzór wynika z pochodnej iloczynu (uv)′=u′v+uv′:
∫uv′dx=uv−∫u′vdx.
Za u bierzemy tę funkcję, która po zróżniczkowaniu się upraszcza (np. x, lnx).
Przykład.∫xexdx. Niech u=x, v′=ex, czyli u′=1, v=ex:
∫xexdx=xex−∫exdx=xex−ex+C=(x−1)ex+C.
Przykład.∫lnxdx. Niech u=lnx, v′=1, czyli u′=x1, v=x:
∫lnxdx=xlnx−∫x⋅x1dx=xlnx−x+C.
Całka oznaczona
Całkę oznaczoną liczy się ze wzoru Newtona-Leibniza: jeśli F jest funkcją pierwotną f, to
∫abf(x)dx=F(b)−F(a).
Stała C się skraca, więc przy całce oznaczonej jej nie piszemy. Dla funkcji nieujemnej całka oznaczona to pole obszaru pod wykresem na przedziale [a,b].
Przykład.∫02x2dx=[3x3]02=38−0=38. Tyle wynosi pole pod parabolą y=x2 nad odcinkiem [0,2].
Przykład.∫0πsinxdx=[−cosx]0π=1−(−1)=2.
Najczęstsze pytania
Skąd się bierze stała C w całce nieoznaczonej? Funkcje różniące się o stałą mają tę samą pochodną: (x2)′=(x2+7)′=2x. Całka nieoznaczona to cała rodzina funkcji pierwotnych, a C opisuje wszystkie naraz.
Ile wynosi całka z 1/x?∫x1dx=ln∣x∣+C. Wartość bezwzględna jest potrzebna, bo x1 jest określone także dla x<0, a logarytm tylko dla liczb dodatnich.
Ile wynosi całka z e do x?∫exdx=ex+C. Dla innej podstawy ∫axdx=lnaax+C.
Ile wynosi całka z ln x?∫lnxdx=xlnx−x+C - liczy się ją przez części, biorąc u=lnx i v′=1.
Czym różni się całka oznaczona od nieoznaczonej? Nieoznaczona to rodzina funkcji (F(x)+C), oznaczona - jedna liczba (F(b)−F(a)), która dla funkcji nieujemnej jest polem pod wykresem.
Jak sprawdzić, czy całka jest policzona dobrze? Zróżniczkuj wynik. Jeśli pochodna wyniku jest równa funkcji spod całki, wynik jest poprawny, np. ((x−1)ex)′=ex+(x−1)ex=xex.
Podsumowanie
∫xndx=n+1xn+1+C dla n=−1, a ∫x1dx=ln∣x∣+C.
∫exdx=ex+C, ∫sinxdx=−cosx+C, ∫cosxdx=sinx+C.
Całka jest liniowa; iloczyn całkujemy przez części, złożenie - przez podstawienie.
Całka oznaczona: ∫abf(x)dx=F(b)−F(a); dla f≥0 to pole pod wykresem.