有理函数积分

news2024/11/13 8:58:04

有理函数积分,一共分为三步:
①有理函数拆分
②求待定系数
③积分
一、有理函数拆分
有理函数拆分就是需要把被积函数拆开成若干项简单真分式相加。
真分式:分子最高次幂<分母最高次幂)
简单真分式,指的是 1 ( x − A ) p \frac{1}{(x-A)^p} xAp1 1 ( x 2 + M x + N ) q \frac{1}{(x^2+Mx+N)^q} (x2+Mx+N)q1类型的分式,其中, x 2 + M x + N x^2+Mx+N x2+Mx+N在实数范围内不能因式分解。
有理函数拆分步骤
1.确保有理函数是真分式,如果有理函数不是真分式,需要把它拆分成多项式和真分式之和。假设 R ( x ) P ( x ) = R 1 ( x ) + r ( x ) P ( x ) \frac{R(x)}{P(x)}=R_1(x)+\frac{r(x)}{P(x)} P(x)R(x)=R1x+P(x)r(x),其中 r ( x ) P ( x ) \frac{r(x)}{P(x)} P(x)r(x)为真分式,然后继续对 r ( x ) P ( x ) \frac{r(x)}{P(x)} P(x)r(x)进行拆分。
2.在实数范围内分母因式分解彻底,设为 r ( x ) P ( x ) = r ( x ) ( x − A ) p ( x 2 + M x + N ) q \frac{r(x)}{P(x)}=\frac{r(x)}{(x-A)^p(x^2+Mx+N)^q} P(x)r(x)=(xA)p(x2+Mx+N)qr(x)
3.拆分. r ( x ) ( x − A ) p ( x 2 + M x + N ) q \frac{r(x)}{(x-A)^p(x^2+Mx+N)^q} (xA)p(x2+Mx+N)qr(x)
= a 1 x − A + a 2 ( x − A ) 2 + . . . + a p ( x − A ) p + b 1 x + c 1 x 2 + M x + N + b 2 x + c 2 ( x 2 + M x + N ) 2 + . . . + b q x + c q ( x 2 + M x + N ) q =\frac{a_1}{x-A}+\frac{a_2}{(x-A)^2}+...+\frac{a_p}{(x-A)^p}+\frac{b_1x+c_1}{x^2+Mx+N}+\frac{b_2x+c_2}{(x^2+Mx+N)^2}+...+\frac{b_qx+c_q}{(x^2+Mx+N)^q} =xAa1+(xA)2a2+...+(xA)pap+x2+Mx+Nb1x+c1+(x2+Mx+N)2b2x+c2+...+(x2+Mx+N)qbqx+cq
下面举两个简单的例子:
在这里插入图片描述
下面再举两个例子:
在这里插入图片描述
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二、求待定系数

有理函数会拆分了,接下来需要把待定系数求出来,主要有如下几个方法:
构造方程组法.通分化简,相同次幂的系数相同,构造方程组,解出待定系数。
留数法.等式两边同时乘以某个因子,再令该因子为零,解出待定系数。
极限法.如果已经求得几个待定系数,可以用对x取极限的方法求得剩余待定系数。
特殊值法.如果已经求得几个待定系数,可以用对x取特殊值的方法求得剩余待定系数。
我们从易到难,进行举例。

在这里插入图片描述
将此真分式拆分成:
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我们可以利用构造方程组法,将等式右边进行通分,根据待定系数法求出a,b,c。
但显然这个方法有点繁琐,所以我们用留数法
什么是留数法呢?
以上述为例,先将等式两边同时乘以(x-1),然后右边就得到了a+==(x-1)(含b,c因子)==这时,直接令x=1,等式右边就只是留下了a,进而解出a。
同理,解出b和c。

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解出a,b和c之后,就可以很快做出来这道题目了。
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接下来我们看这道题目。
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首先还是要进行拆分,这是一个真分式,而且分母也已经是最简形式了。
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拆分之后,接下来我们需要解出a,b,c。
同样,我们使用留数法。
对于a,我们等式两边同时乘以x,然后令x=0,解出a。
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我们如同上述,解出b,等式两边同时乘以(x+1)

在这里插入图片描述
但是此时这样做就有问题了!等式右边会出现无穷大的情况。
为什么会出现这种情况呢,这是因为有 c ( x + 1 2 ) \frac{c}{(x+1^2)} (x+12)c
遇到这类情况我们一般要先解决分母次数更高的那一项。对于这道题,即先解出c。
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这时,只剩下b这个未知数了,我们可以利用特殊值法,将x=1代入等式,解出b。
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在这里,我们也可以使用取极限法,如下。
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接下来,我们看下一个例子。
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首先初步判断,这是一个假分式,我们需要将其进行拆分成一个x的多项式+一个真分式。
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对于x的积分,我们是清楚的,主要要解决第二项这个真分式。
注意到它的分母是可以进一步化简的,因此:
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然后,我们要进行下一步的拆分。
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拆分之后,我们需要解出a,b,c。
对于a来说,根据留数法,是很容易解出来的。
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但是对于bx+c,我们能否根据留数法解出来呢?注意到, x 2 − x + 1 x^2-x+1 x2x+1是恒大于0的。它无法使得出它之外的其他项(即有a的那一项)变为0的。
这时我们使用极限法。
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解出a,b对于c我们可以根据特殊值法解出c。
在这里插入图片描述
总结:
①若因子 1 ( x − A ) p \frac{1}{(x-A)^p} (xA)p1最高次幂的系数,p=1,可以直接用留数法。
②若因子 1 ( x − A ) p \frac{1}{(x-A)^p} (xA)p1其他次幂的系数,p=2,可以通过特殊值法或者极限法求得。
③因子 1 ( x 2 + M x + N ) q \frac{1}{(x^2+Mx+N)^q} (x2+Mx+N)q1一般用特殊值法和极限法求得待定系数。

三、积分
求解出待定系数,然后就可以积分了。
以上述的例2和例3为例,完成上述例子。
例2:

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例三:
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