6.5: Розкладання часткової фракції
У цьому розділі досліджуються антипохідні раціональних функцій. Нагадаємо, що раціональні функції - це функції видуf(x)=p(x)q(x), деp(x) іq(x) є поліномами іq(x)≠0. Такі функції виникають у багатьох контекстах, одним з яких є розв'язування певних фундаментальних диференціальних рівнянь.
Почнемо з прикладу, який демонструє мотивацію цього розділу. Розглянемо інтеграл∫1x2−1 dx. У нас немає простої формули для цього (якби знаменник бувx2+1, ми б визнали антипохідну як функцію арктангенса). Це можна вирішити за допомогою тригонометричної підстановки, але зверніть увагу, як інтеграл легко оцінити, як тільки ми зрозуміємо:
$\ гідророзриву {1} {x^2-1} =\ гідророзриву {1/2} {x-1} -\ гідророзриву {1/2} {x+1}.\]
Таким чином
∫1x2−1 dx=∫1/2x−1 dx−∫1/2x+1 dx=12ln|x−1|−12ln|x+1|+C.
Цей розділ вчить, як розкладати
$\ розрив {1} {x^2-1}\ квад\ текст {в}\ квад\ гідророзрив {1/2} {x-1} -\ гідророзриву {1/2} {x+1}.\]
Почнемо з раціональної функціїf(x)=p(x)q(x), деp іq не мають якихось загальнихp факторів і ступінь менше ступеняq. Можна показати, що будь-який многочлен, а отжеq, може бути врахований у добуток лінійних і нескорочуваних квадратичних членів. Наступна Ключова ідея стверджує, як розкласти раціональну функцію на суму раціональних функцій, знаменники яких мають нижчий ступінь, ніжq.
Ключова ідея 15: Розкладання часткових дробів
p(x)q(x)Дозволяти бути раціональною функцією, де ступінь менше ступеняq.p
- Лінійні терміни: Дозвольте(x−a) ділитиq(x), де(x−a)n найвища сила(x−a), що ділитьq(x). Тоді розкладанняp(x)q(x) буде містити суму fracA1(x−a)+ fracA2(x−a)2+ cdots+ fracan(x−a)n.
- Квадратичні терміни: Нехайx2+bx+c розділитиq(x),(x2+bx+c)n де найвища силаx2+bx+c, що ділитьq(x). Тоді розкладанняp(x)q(x) буде містити суму fracB1x+C1x2+bx+c+ fracB2x+C2(x2+bx+c)2+ cdots+ fracBnx+Cn(x2+bx+c)n.
Щоб знайти коефіцієнтиAi,Bi іCi:
- Помножте всі дроби наq(x), очистивши знаменники. Збирайте подібні терміни.
- Зрівняти отримані коефіцієнти степенівx і вирішити отриману систему лінійних рівнянь.
Наступні приклади продемонструють, як реалізувати цю Ключову Ідею на практиці. У прикладі6.5.1 підкреслюється аспект розкладання Ключової ідеї.
Приклад6.5.1: Decomposing into partial fractions
Розкладаємоf(x)=1(x+5)(x−2)3(x2+x+2)(x2+x+7)2 без розв'язування для отриманих коефіцієнтів.
Рішення
Знаменник вже врахований, оскільки обидваx2+x+2 іx2+x+7 не можуть бути враховані далі. Нам потрібноf(x) правильно розкласти. Оскільки(x+5) є лінійним терміном, який ділить знаменник, то буде
$\ гідророзриву {A} {x+5}\]
термін в розкладанні.
Як(x−2)3 ділить знаменник, у нас будуть наступні члени в розкладанні:
$\ гідророзриву {B} {x-2},\ квад\ гідророзриву {C} {(x-2) ^2}\ квад\ текст {і}\ квад\ розрив {D} {(x-2) ^3}.\]
x2+x+2Термін в знаменнику призводить доEx+Fx2+x+2 терміну.
Нарешті,(x2+x+7)2 термін призводить до термінів
$\ розрив {Gx+H} {x^2+x+7}\ квад\ текст {і}\ квад\ розрив {Ix+J} {(x^2+x+7) ^2}.\]
Всі разом ми маємо
1(x+5)(x−2)3(x2+x+2)(x2+x+7)2=Ax+5+Bx−2+C(x−2)2+D(x−2)3+Ex+Fx2+x+2+Gx+Hx2+x+7+Ix+J(x2+x+7)2
Рішення для коефіцієнтівA,B…J було б трохи нудно, але не «важко».
Приклад6.5.2: Decomposing into partial fractions
Виконати розкладання часткової фракції1x2−1.
Рішення
Знаменник множник на два лінійні члени:x2−1=(x−1)(x+1). Таким чином
$\ гідророзриву {1} {x^2-1} =\ гідророзриву {A} {x-1} +\ гідророзриву {B} {x+1}.\]
Щоб вирішити дляA іB, спочатку помножте наx2−1=(x−1)(x+1):
1=A(x−1)(x+1)x−1+B(x−1)(x+1)x+1=A(x+1)+B(x−1)=Ax+A+Bx−B
Тепер збирайте подібні терміни.
=(A+B)x+(A−B).
Наступний крок - ключовий. Зверніть увагу на рівність, яку ми маємо:
1=(A+B)x+(A−B).
Для наочності перепишіть ліву сторону як
0x+1=(A+B)x+(A−B).
Зліва коефіцієнтx терміна дорівнює 0; праворуч - він(A+B). Оскільки обидві сторони рівні, ми повинні мати це0=A+B.
Так само ліворуч ми маємо постійний член 1; праворуч постійний термін є(A−B). Тому у нас є1=A−B.
У нас є два лінійних рівняння з двома невідомими. Це легко вирішити вручну, що призводить до
$\ begin {масив} {c} A+B = 0\\ A-B = 1\ кінець {масив}\ Rightarrow\ begin {масив} {c} A=1/2\\ B = -1/2\ end {масив}. Такимчином\ гідророзриву {1} {x^2-1} =\ розрив {1/2} {x-1} -\ гідророзриву {1/2} {x+1}.\]
Приклад6.5.3: Integrating using partial fractions
Використовуйте розкладання часткових дробів для інтеграції∫1(x−1)(x+2)2 dx.
Рішення
Розкладаємо цілісність наступним чином, як описано Key Idea 15:
$\ гідророзрив {1} {(x-1) (x+2) ^2} =\ гідророзриву {A} {x-1} +\ гідророзриву {B} {x+2} +\ гідророзриву {C} {(x+2) ^2}.\]
Щоб вирішити дляA,B іC, ми множимо обидві сторони на(x−1)(x+2)2 і збираємо подібні терміни:
1=A(x+2)2+B(x−1)(x+2)+C(x−1)=Ax2+4Ax+4A+Bx2+Bx−2B+Cx−C=(A+B)x2+(4A+B+C)x+(4A−2B−C)
Примітка: Рівняння6.5.22 пропонує прямий шлях до знаходження значеньA,B іC. Так як рівняння тримає для всіх значеньx, він тримається, зокрема, колиx=1. Однак, колиx=1, права сторона спрощуєA(1+2)2=9A. Так як ліва сторона все ще 1, у нас є1=9A. ЗвідсиA=1/9.
Так само рівність тримається колиx=−2; це призводить до рівняння1=−3C. Таким чиномC=−1/3.
ЗнаючиA іC, ми можемо знайти значення,B вибравши ще одне значенняx, наприкладx=0, і вирішуючи дляB.
У нас є
$ 0x^2+0x+ 1 = (А+Б) х ^ 2 + (4А+В+С) х + (4А-2В-С)\]
що веде до рівнянь
$ $A+B = 0,\ квадроцикл 4A+B+C = 0\ квад\ текст {і}\ квад 4A-2B-C = 1.\]
Ці три рівняння з трьох невідомих призводять до унікального рішення:
$ $ A = 1/9,\ квадрад B = -1/9\ квад\ текст {і}\ квад C = -1/3.\]
Таким чином
$\ int\ розрив {1} {(x-1) (x+2) ^2}\ dx =\ int\ гідророзриву {1/9} {x-1}\ dx +\ int\ розрив {-1/9} {x+2}\ dx +\ int\ розрив {-1/3} {(x+2) ^2}\ dx.\]
Кожен може бути інтегрований з простою заміною зu=x−1 абоu=x+2 (або шляхом безпосереднього застосування Key Idea 10, оскільки знаменники є лінійними функціями). Кінцевий результат
$\ int\ гідророзриву {1} {(x-1) (x+2) ^2}\ dx =\ frac19\ ln|х-1| -\ frac19\ ln|x+2| +\ frac1 {3 (x+2)} +C.\]
Приклад6.5.4: Integrating using partial fractions
Використовуйте розкладання часткового дробу для інтеграції∫x3(x−5)(x+3) dx.
Рішення
Ключова ідея 15 передбачає, що ступінь чисельника менше ступеня знаменника. Оскільки це не так, ми починаємо з використання поліноміального ділення, щоб зменшити ступінь чисельника. Ми опускаємо кроки, але заохочуємо читача перевірити це
$\ розрив {x^3} {(x-5) (x+3)} = х+2+\ розрив {19x+30} {(x-5) (х+3)}.\]
Використовуючи Key Idea 15, ми можемо переписати нову раціональну функцію як:
$\ гідророзрив {19x+30} {(x-5) (x+3)} =\ розрив {A} {x-5} +\ гідророзриву {B} {x+3}\]
для відповідних значеньA іB. Очищаючи знаменники, ми маємо
Примітка: ЗначенняA іB можна швидко знайти за допомогою методики, описаної в полі Прикладу6.5.3.}
19x+30=A(x+3)+B(x−5)=(A+B)x+(3A−5B).
З цього випливає, що:
19=A+B30=3A−5B.
Розв'язування цієї системи лінійних рівнянь дає
125/8=A27/8=B.
Тепер ми можемо інтегруватися.
∫x3(x−5)(x+3) dx=∫(x+2+125/8x−5+27/8x+3) dx=x22+2x+1258ln|x−5|+278ln|x+3|+C.
Приклад6.5.5: Integrating using partial fractions
Використовуйте розкладання часткового дробу для оцінки∫7x2+31x+54(x+1)(x2+6x+11) dx.
Рішення
Ступінь чисельника менше ступеня знаменника, тому ми починаємо з застосування Key Idea 15. У нас є:
7x2+31x+54(x+1)(x2+6x+11)=Ax+1+Bx+Cx2+6x+11.
Тепер очистіть знаменники.
7x2+31x+54=A(x2+6x+11)+(Bx+C)(x+1)=(A+B)x2+(6A+B+C)x+(11A+C).
З цього випливає, що:
7=A+B31=6A+B+C54=11A+C.
Розв'язування цієї системи лінійних рівнянь дає приємний результатA=5,B=2 іC=−1. Таким чином
$\ int\ розрив {7x^2+31x+54} {(x+1) (x^2+6x+11)}\ dx =\ int\ ліворуч (\ розрив {5} {x+1} +\ frac {2x-1} {х ^2+6x+11}\ праворуч)\ dx.\]
Перший термін цього нового цілісності легко оцінити; це призводить до5ln|x+1| терміну. Другий термін не складний, але робить кілька кроків і використовує методи заміщення.
Ціле2x−1x2+6x+11 число має квадратичну в знаменнику і лінійний член в чисельнику. Це змушує нас спробувати підміну. Нехайu=x2+6x+11, такdu=(2x+6) dx. Чисельник є2x−1, немає2x+6, але ми можемо отримати2x+6 член в чисельнику, додавши 0 у вигляді "7−7.»
2x−1x2+6x+11=2x−1+7−7x2+6x+11=2x+6x2+6x+11−7x2+6x+11.
Тепер ми можемо інтегрувати перший термін із заміною, що призводить доln|x2+6x+11| терміну. Заключний термін може бути інтегрований за допомогою арктангенса. Спочатку заповніть квадрат в знаменнику:
$\ гідророзриву {7} {x^2+6x+11} =\ гідророзриву {7} {(x+3) ^2+2}.\]
Антипохідне останнього терміна можна знайти за допомогою теореми 6.1.3 і підстановки:
$\ int\ frac {7} {x^2+6x+11}\ dx =\ frac {7} {\ sqrt {2}}\ tan^ {-1}\ ліворуч (\ frac {x+3} {\ sqrt {2}}\ праворуч) +C.\]
Давайте почнемо спочатку і складемо всі кроки разом.
∫7x2+31x+54(x+1)(x2+6x+11) dx=∫(5x+1+2x−1x2+6x+11) dx=∫5x+1 dx+∫2x+6x2+6x+11 dx−∫7x2+6x+11 dx=5ln|x+1|+ln|x2+6x+11|−7√2tan−1(x+3√2)+C.
Як і у випадку з багатьма іншими проблемами в обчисленні, важливо пам'ятати, що не очікується «побачити» остаточну відповідь відразу після того, як побачити проблему. Швидше, з огляду на початкову проблему, ми розбиваємо її на більш дрібні проблеми, які легше вирішити. Остаточна відповідь - це поєднання відповідей менших проблем.
Розкладання часткових дробів є важливим інструментом при роботі з раціональними функціями. Зауважте, що в його основі це техніка алгебри, а не обчислення, оскільки ми переписуємо дріб в новому вигляді. Незважаючи на це, це дуже корисно в області числення, оскільки дозволяє оцінити певний набір «складних» інтегралів.
У наступному розділі представлені нові функції, які називаються гіперболічними функціями. Вони дозволять нам робити заміни, подібні до тих, що зустрічаються при вивченні тригонометричної заміщення, що дозволить нам наблизитися до ще більших проблем інтеграції.