Проверка применения свойств интеграла при смене пределов интегрирования: задания с разбором, 11 класс
В этой карточке рассматривается только смена порядка пределов определённого интеграла. Нужно определить, как меняется знак результата, а затем проверить вычисление по первообразной. Это не задание на поиск площади фигуры: определённый интеграл учитывает знак функции.
Главный тезис: ∫ab f(x) dx = −∫ba f(x) dx. При одинаковых пределах значение равно нулю.
Содержание статьи6 разделов
Опорная таблица для вычислений
В каждом столбце известна величина интеграла в указанном направлении. Не меняйте пределы «мысленно» без изменения знака.
| Код | Исходный интеграл | Значение | Как проверено |
|---|---|---|---|
| A | ∫₀² (x + 1) dx | 4 | Проверка: [x²/2 + x] от 0 до 2 = 4 |
| B | ∫₋₁¹ x² dx | 2/3 | Проверка: [x³/3] от −1 до 1 = 2/3 |
| C | ∫₁³ (2x − 1) dx | 6 | Проверка: [x² − x] от 1 до 3 = 6 |
| D | ∫₀π sin x dx | 2 | Проверка: [−cos x] от 0 до π = 2 |
Часть I. Прочитайте таблицу и восстановите знак
- Найдите ∫₂⁰ (x + 1) dx по строке A.
- Чему равно ∫₁⁻¹ x² dx? Объясните, почему результат отрицателен.
- Вычислите ∫₃¹ (2x − 1) dx, не повторяя интегрирование.
- Найдите ∫π0 sin x dx.
- Проверьте запись ученика: 3∫₂⁰ (x + 1) dx = 12.
- Вычислите −2∫₋₁¹ x² dx.
- Сколько даёт сумма ∫₁³ (2x − 1) dx + ∫₃¹ (2x − 1) dx?
- Вычислите −∫₂⁰ (x + 1) dx + ∫₀² (x + 1) dx.
Часть II. Найдите и обоснуйте исправление
Проверьте, где изменяются пределы, а где только подынтегральная функция. Для любого выражения сначала запишите короткое преобразование знаков.
- Чему равен ∫₄⁴ (x⁵ − 7) dx? Требуется ли находить первообразную?
- Определите ∫₀² (x + 1) dx − ∫₂⁰ (x + 1) dx.
- Найдите ∫₋₁¹ x² dx + ∫₁⁻¹ x² dx.
- Дан ∫₂⁵ f(x) dx = −7. Вычислите ∫₅² f(x) dx и аргументируйте знак.
- Чему равна сумма ∫₃¹(2x − 1) dx + ∫₂⁰(x + 1) dx?
- Вычислите ∫₂⁰ (−x − 1) dx. Почему здесь положительный результат?
- Сравните ∫₋₁¹ (x² − 1) dx и ∫₁⁻¹ (x² − 1) dx; найдите оба числа.
- Для f(x)=3x² получите ∫₁⁻² f(x) dx и объясните проверку через первообразную.
Ключ с пояснениями для самопроверки
Каждому номеру соответствует отдельный шаг рассуждения. Учитель может сначала закрыть эту часть листом бумаги: в задании 5 характерная ошибка обнаруживается уже по отрицательному знаку.
- № 1. −4. При перестановке 0 и 2 значение A меняет знак.
- № 2. −2/3: интеграл в обратном направлении противоположен B, даже когда x² ≥ 0.
- № 3. −6. В строке C значение равно 6, обратные границы дают −6.
- № 4. −2. На [0; π] синус неотрицателен, но направление здесь обратное.
- № 5. Неверно. 3·(−4) = −12; внешний положительный множитель знак не исправляет.
- № 6. −4/3. Умножение 2/3 на −2 даёт отрицательный результат.
- № 7. 0. Два одинаковых интеграла с противоположно направленными пределами взаимно уничтожаются.
- № 8. 8. Первое слагаемое −(−4)=4, второе равно 4.
- № 9. 0: при совпадающих границах любой интегрируемой функции интеграл равен нулю.
- № 10. 8 = 4 − (−4). Ошибка −4 получается, если забыть, что второе значение отрицательно.
- № 11. 0: это B + (−B), значение B вычислять повторно не требуется.
- № 12. 7. Перестановка 2 и 5 меняет знак −7 на 7; она не изменяет саму функцию.
- № 13. −10 = −6 − 4, оба направления обратны строкам C и A.
- № 14. 4. Здесь ∫₀² (−x−1) dx = −4, а смена пределов даёт ещё один минус: −(−4)=4.
- № 15. Первый равен 2/3 − 2 = −4/3. Второй равен 4/3. Знак сменился только из-за порядка пределов.
- № 16. −9. Первообразная x³, потому [x³] от −2 до 1 = 1 − (−8)=9; при границах от 1 к −2 получаем −9.
Почему типичные ответы бывают неверными
Нельзя писать, что смена пределов «не влияет, потому что промежуток тот же». Геометрический набор точек не меняется, но ориентация интегрирования меняется. Знак зависит от направления, а не от расположения графика относительно оси.
Если подынтегральная функция отрицательна, одновременно возможны два источника минусов: знак функции и перестановка границ. В № 14 они взаимно компенсируются. При a=b ответ всегда нулевой, и отдельное нахождение первообразной не требуется.
Дополнительная проверка: вычислите любую из задач через F(b)−F(a), затем поменяйте a и b. Получится F(a)−F(b), то есть противоположное число. Именно этим объясняется правило, а не механическим запоминанием.
Проверка четырёх спорных записей
Запись «∫₂⁰ f = ∫₀² f, потому что обе границы обозначают тот же отрезок» неверна. У интеграла есть направление. Возьмите простейшую функцию f(x)=1: от 0 до 2 получится 2, а от 2 до 0 — −2. При такой проверке ошибка заметна без вычисления сложной первообразной.
Запись «Если график ниже Ox, смена пределов сохраняет отрицательный знак» тоже неверна. Для f(x)=−3 на [1;4] исходный интеграл равен −9, а обратный ∫₄¹ f равен +9. Знак функции и знак смены пределов — два независимых действия. Именно поэтому номер 14 даёт положительное число.
Наконец, нельзя путать смену пределов и замену переменной. Если в интеграле выполняют замену x=φ(t), изменяются границы, но одновременно появляется множитель φ′(t). В этой работе никакая замена переменной не выполняется: подынтегральное выражение остаётся прежним, меняются местами только две границы.
Практический алгоритм: подчеркните нижний и верхний пределы, рядом напишите исходное значение, поставьте один знак минус при их перестановке, а затем выполните внешние действия — умножение, сложение или вычитание. Не упрощайте сразу всю строку: промежуточная запись помогает быстро обнаружить потерянный знак.
Сохраните материал или отправьте тому, кому он пригодится.
