Интегрирование рациональных функций Дробно – рациональная функция Простейшие. Интегрирование рациональных функций

Вы здесь: Используемые ткани

«Математик так же, как художник или поэт, создает узоры. И если его узоры более устойчивы, то лишь потому, что они составлены из идей... Узоры математика так же, как узоры художника или поэта, должны быть прекрасны; идеи так же, как цвета или слова, должны соответствовать друг другу. Красота есть первое требование: в мире нет места для некрасивой математики ».

Г.Х.Харди

В первой главе отмечалось, что существуют первообразные довольно простых функций, которые уже нельзя выразить через элементарные функции. В связи с этим, огромное практическое значение приобретают те классы функций, о которых можно точно сказать, что их первообразные – элементарные функции. К такому классу функций относятся рациональные функции , представляющие собой отношение двух алгебраических многочленов. К интегрированию рациональных дробей приводят многие задачи. Поэтому очень важно уметь интегрировать такие функции.

2.1.1. Дробно-рациональные функции

Рациональной дробью (или дробно-рациональной функцией )называется отношение двух алгебраических многочленов:

где и – многочлены.

Напомним, что многочленом (полиномом , целой рациональной функцией ) n -й степени называется функция вида

где – действительные числа. Например,

– многочлен первой степени;

– многочлен четвертой степени и т.д.

Рациональная дробь (2.1.1) называется правильной , если степень ниже степени , т.е. n <m , в противном случае дробь называется неправильной .

Любую неправильную дробь можно представить в виде суммы многочлена (целой части) и правильной дроби (дробной части). Выделение целой и дробной частей неправильной дроби можно производить по правилу деления многочленов «уголком».

Пример 2.1.1. Выделить целую и дробную части следующих неправильных рациональных дробей:

а) , б) .

Решение . а) Используя алгоритм деления «уголком», получаем

Таким образом, получаем

б) Здесь также используем алгоритм деления «уголком»:

В результате, получаем

Подведём итоги. Неопределённый интеграл от рациональной дроби в общем случае можно представить суммой интегралов от многочлена и от правильной рациональной дроби. Нахождение первообразных от многочленов не представляет трудностей. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать в основном правильные рациональные дроби.

2.1.2. Простейшие рациональные дроби и их интегрирование

Среди правильных рациональных дробей выделяют четыре типа, которые относят кпростейшим (элементарным) рациональным дробям:

3) ,

4) ,

где – целое число, , т.е. квадратный трёхчлен не имеет действительных корней.

Интегрирование простейших дробей 1-го и 2-го типа не представляет больших трудностей:

, (2.1.3)

. (2.1.4)

Рассмотрим теперь интегрирование простейших дробей 3-го типа, а дроби 4-го типа рассматривать не будем.

Начнём с интегралов вида

Данный интеграл обычно вычисляют путем выделения полного квадрата в знаменателе. В результате получается табличный интеграл следующего вида

или .

Пример 2.1.2. Найти интегралы:

а) , б) .

Решение . а) Выделим из квадратного трёхчлена полный квадрат:

Отсюда находим

б) Выделив из квадратного трёхчлена полный квадрат, получаем:

Таким образом,

Для нахождения интеграла

можно выделить в числителе производную знаменателя и разложить интеграл на сумму двух интегралов: первый из них подстановкой сводится к виду

а второй – к рассмотренному выше.

Пример 2.1.3. Найти интегралы:

Решение . Заметим, что . Выделим в числителе производную знаменателя:

Первый интеграл вычисляется при помощи подстановки :

Во втором интеграле выделим полный квадрат в знаменателе

Окончательно, получаем

2.1.3. Разложение правильной рациональный дроби
на сумму простейших дробей

Любую правильную рациональную дробь можно представить единственным образом в виде суммы простейших дробей. Для этого знаменатель нужно разложить на множители. Из высшей алгебры известно, что каждый многочлен с действительными коэффициентами

Интегрирование рациональных функций Дробно – рациональная функция Простейшие рациональные дроби Разложение рациональной дроби на простейшие дроби Интегрирование простейших дробей Общее правило интегрирования рациональных дробей

многочлен степени n. Дробно – рациональная функция Дробно – рациональной функцией называется функция, равная отношению двух многочленов: Рациональная дробь называется правильной, если степень числителя меньше степени знаменателя, то есть m < n , в противном случае дробь называется неправильной. многочлен степени m Всякую неправильную рациональную дробь можно, путем деления числителя на знаменатель, представить в виде суммы многочлена L(x) и правильной рациональной дроби:)()()(x. Q x. P xf n m)()()(x. Q x. R x. L x. Q x. P

Дробно – рациональная функция Привести неправильную дробь к правильному виду: 2 95 4 x xx 95 4 xx 2 x 3 x 34 2 xx 952 3 xx 2 2 x 23 42 xx 954 2 xx x 4 xx 84 2 93 x 3 63 x 15 2 95 4 x xx 342 23 xxx 2 15 x

Простейшие рациональные дроби Правильные рациональные дроби вида: Называются простейшими рациональными дробями типов. ax A); 2(Nkk ax A k)04(2 2 qp qpxx NMx); 2; 04(2 2 Nkkqp qpxx NMx k V V,

Разложение рациональной дроби на простейшие дроби Теорема: Всякую правильную рациональную дробь, знаменатель которой разложен на множители: можно представить, притом единственным образом в виде суммы простейших дробей: s k qxpxxxxxx. Q)()()(22 2 11 2 21)()(x. Q x. P 1 xx A k k xx B)()(2 2 2 1 11 2 qxpx DCx 2 22 22 2 11)(qxpx Nx. M s ss qxpx Nx. M)(

Разложение рациональной дроби на простейшие дроби Поясним формулировку теоремы на следующих примерах: Для нахождения неопределенных коэффициентов A, B, C, D … применяют два метода: метод сравнивания коэффициентов и метод частных значений переменной. Первый метод рассмотрим на примере. 3 2)3)(2(4 xx x 2 x A 3 3 2 21)3()3(3 x B x B 1 2 x DCx 22 22 2 11)1(1 xx Nx. M)1(3 22 3 xx x 2 21 x A 22 2)1)(4(987 xxx xx 4 x

Разложение рациональной дроби на простейшие дроби Представить дробь в виде суммы простейших дробей: Приведем простейшие дроби к общему знаменателю Приравняем числители получившейся и исходной дробей Приравняем коэффициенты при одинаковых степенях х)52)(1(332 2 2 xxx xx 1 x A 52 2 xx CBx)52)(1()1)(()52(2 2 xxx x. CBxxx. A 33252 222 xx. CBx. Cx. Bx. AAx. Ax 35 32 2 0 1 2 CAx BAx 2 3 1 C B A 52 23 1 1 2 xx x x

Интегрирование простейших дробей Найдем интегралы от простейших рациональных дробей: Интегрирование дроби 3 типа рассмотрим на примере. dx ax A k dx qpxx NMx 2 ax axd A)(Cax. Aln)(axdax. A k C k ax. A k

Интегрирование простейших дробейdx xx x 102 13 2 dx xx x 9)12(13 2 dx x x 9)1(13 2 dtdx tx tx 1 1 dt t t 9 1)1(3 2 dt t t 9 23 2 9 322 t dtt 9 9 2 3 2 2 t td 33 2 t arctg. C t arctgt 33 2 9 ln 2 32 C x arctgxx 3 1 3 2 102 ln

Интегрирование простейших дробей Интеграл данного типа с помощью подстановки: приводится к сумме двух интегралов: Первый интеграл вычисляется методом внесения t под знак дифференциала. Второй интеграл вычисляется с помощью рекуррентной формулы: dx qpxx NMx k 2 V t p x 2 kk at dt N at dtt M 22122 1221222))(1(222 321 kkkk atk t k k aat dt

Интегрирование простейших дробей a = 1; k = 3 323)1(t dt tarctg t dt 1 21)1)(12(2222 322 1 21222 t t t dt)1(22 1 2 t t tarctg 2223)1)(13(2232 332 t t C t t tarctg 222)1(4)1(

Общее правило интегрирования рациональных дробей Если дробь неправильная, то представить ее в виде суммы многочлена и правильной дроби. Разложив знаменатель правильной рациональной дроби на множители, представить ее в виде суммы простейших дробей с неопределенными коэффициентами Найти неопределенные коэффициенты методом сравнения коэффициентов или методом частных значений переменной. Проинтегрировать многочлен и полученную сумму простейших дробей.

Пример Приведем дробь к правильному виду. dx xxx 23 35 2 442 35 xxxxxx 23 2 2 x 345 2 xxx 442 34 xxx x 2 234 242 xxx 4425 23 xxx xxx 23 35 2 442 xxx xx xx 23 2 2 2 48 52 5 xxx 5105 23 48 2 xx

Пример Разложим знаменатель правильной дроби на множители Представим дробь в виде суммы простейших дробей Найдем неопределенные коэффициенты методом частных значений переменной xxx xx 23 2 2 48 2 2)1(48 xx xx 2)1(1 x C x B x A 2 2)1()1(xx Cxx. Bxx. A 48)1()1(22 xx. Cxx. Bxx. A 5241 31 40 CBAx Cx Ax 3 12 4 C B A xxx xx 23 2 2 48 2)1(3 1 124 xxx

Пример dx xx 2 2)1(3 1 124 52 2 2)1(3 1 12452 x dx dxxdxdxx C x xxxx x 1 3 1 ln 12 ln

Ранее речь шла об общих приемах интегрирования. В этом и следующих параграфах мы будем говорить об интегрировании конкретных классов функций с помощью рассмотренных приемов.

Интегрирование простейших рациональных функций

Рассмотрим интеграл вида \textstyle{\int R(x)\,dx} , где y=R(x) - рациональная функция. Всякое рациональное выражение R(x) можно представить в виде \frac{P(x)}{Q(x)} , где P(x) и Q(x) - многочлены. Если эта дробь неправильная, т. е. если степень числителя больше или равна степени знаменателя, то ее можно представить в виде суммы многочлена (целая часть) и правильной дроби. Поэтому достаточно рассмотреть интегрирование правильных дробей.

Покажем, что интегрирование таких дробей сводится к интегрированию простейших дробей , т. е. выражений вида:

\mathsf{1)}~\frac{A}{x-a};\quad \mathsf{2)}~\frac{A}{(x-a)^n};\quad \mathsf{3)}~ \frac{Ax+B}{x^2+px+q};\quad \mathsf{4)}~\frac{Ax+B}{(x^2+px+q)^n}.

где A,\,B,\,a,\,p,\,q - действительные числа, а квадратный трехчлен x^2+px+q не имеет действительных корней. Выражения вида 1) и 2) называют дробями 1-го рода, а выражения вида 3) и 4) - дробями 2-го рода.

Интегралы от дробей 1-го рода вычисляются непосредственно

\begin{aligned}\mathsf{1)}&~\int\frac{A}{x-a}\,dx= A\ln|x-a|+C;\\ \mathsf{2)}&~ \int\frac{A}{(x-a)^n}\,dx= A\int(x-a)^{-n}\,dx= A\,\frac{(x-a)^{-n+1}}{-n+1}+C~(n=2,3,4,\ldots). \end{aligned}

Рассмотрим вычисление интегралов от дробей 2-го рода: \mathsf{3)}~ \int\frac{Ax+B}{x^2+px+q}\,dx\,.

Сначала заметим, что

\int\frac{dt}{t^2+a^2}= \frac{1}{a}\operatorname{arctg}\frac{t}{a}+C,\qquad \int\frac{t\,dt}{t^2+a^2}= \frac{1}{2}\ln(t^2+a^2)+C.

Чтобы свести вычисление интеграла 3) к этим двум интегралам, преобразуем квадратный трехчлен x^2+px+q , выделив из него полный квадрат:

x^2+px+q= {\left(x+\frac{p}{2}\right)\!}^2+ \left(q-\frac{p^2}{4}\right)\!.

Так как по предположению этот трехчлен не имеет действительных корней, то q-\frac{p^2}{4}>0 и мы можем положить q-\frac{p^2}{4}=a^2 . Подстановка x+\frac{p}{2}=t,~ dx=dt преобразует интеграл 3) к линейной комбинации указанных двух интегралов:

\begin{aligned}\int\frac{Ax+B}{x^2+px+q}\,dx&= \int\frac{A\!\left(t-\frac{p}{2}\right)+B}{t^2+a^2}\,dt= A\int\frac{t\,dt}{t^2+a^2}+ \left(B-\frac{Ap}{2}\right)\!\int\frac{dt}{t^2+a^2}=\\ &=\frac{A}{2}\ln(t^2+a^2)+ \frac{1}{a}\!\left(B-\frac{Ap}{2}\right)\!\ \operatorname{arctg}\frac{t}{a}+C. \end{aligned}

В окончательном ответе нужно лишь заменить {t} на x+\frac{p}{2} , а {a} на \sqrt{q-\frac{p^2}{4}} . Так как t^2+a^2=x^2+px+q , то

\int\frac{Ax+B}{x^2+px+q}\,dx= \frac{A}{2}\ln(x^2+px+q)+ \frac{B-\dfrac{Ap}{2}}{\sqrt{q-\dfrac{p^2}{4}}} \operatorname{arctg}\frac{x+\dfrac{p}{2}}{\sqrt{q-\dfrac{p^2}{4}}}+C.

Рассмотрим случай \mathsf{4)}~ \int\frac{Ax+B}{(x^2+px+q)^n}\,dx .

Как и в предыдущем случае, положим x+\frac{p}{2}=t . Получим:

\int\frac{Ax+B}{(x^2+px+q)^n}\,dx= A\int\frac{t\,dt}{(t^2+a^2)^n}+ \left(B-\frac{Ap}{2}\right)\! \int\frac{dt}{(t^2+a^2)^n}\,.

Первое слагаемое вычисляется так:

A\int\frac{t\,dt}{(t^2+a^2)^n}= \frac{A}{2}\int(t^2+a^2)^{-n}\,d(t^2+a^2)= \frac{A}{2}\frac{(t^2+a^2)^{-n+1}}{-n+1}= \frac{A}{2(1-n)(t^2+a^2)^{n-1}}\,.

Второй же интеграл вычисляется с помощью рекуррентной формулы.

Пример 1. Вычислим \int\frac{3x+2}{x^2+2x+3}\,dx .

Решение. Имеем: x^2+2x+3=(x+1)^2+2 . Положим x+1=t . Тогда dx=dt и 3x+2=3(t-1)+2=3t-1 и, следовательно,

\begin{aligned}\int\frac{3x+2}{x^2+2x+3}\,dx&= \int\frac{3t-1}{t^2+2}\,dt= \frac{3}{2}\int\frac{2t\,dt}{t^2+2}- \int\frac{dt}{t^2+(\sqrt{2})^2}=\\ &=\frac{3}{2}\ln(t^2+2)- \frac{1}{\sqrt{2}}\operatorname{arctg}\frac{t}{\sqrt{2}}+C=\\ &=\frac{3}{2}\ln(x^2+2x+3)- \frac{1}{\sqrt{2}}\operatorname{arctg}\frac{x+1}{\sqrt{2}}+C. \end{aligned}

Пример 2. Вычислим \int\frac{x+2}{(x^2+6x+10)^2}\,dx .

Решение. Имеем: x^2+6x+10=(x+3)^2+1 . Введем новую переменную, положив x+3=t . Тогда dt=dx и x+2=t-1 . Заменив переменную под знаком интеграла, получим:

\begin{aligned}\int\frac{x+2}{(x^2+6x+10)^2}\,dx&= \int\frac{t-1}{(t^2+1)^2}\,dt= \frac{1}{2}\int\frac{2t\,dt}{(t^2+1)^2}-\int\frac{dt}{(t^2+1)^2}=\\ &=-\frac{1}{2(t^2+1)}- \int\frac{dt}{(t^2+1)^2}\,. \end{aligned}}

Положим I_2=\int\frac{dt}{(t^2+1)^2} . Имеем:

I_2=\frac{1}{2}I_1+\frac{1}{2}\frac{t}{t^2+1} , но I_1=\int\frac{dt}{t^2+1}= \operatorname{arctg}t Таким образом, I_2= \frac{1}{2}\operatorname{arctg}t+ \frac{t}{2(t^2+1)} .

Окончательно получаем:

\begin{aligned}\int\frac{x+2}{(x^2+6x+10)^2}\,dx&=-\frac{1}{2(t^2+1)}-\frac{1}{2}\operatorname{arctg}t-\frac{t}{2(t^2+1)}=\\ &=-\frac{1}{2(x^2+6x+10)}- \frac{1}{2}\operatorname{arctg}(x+3)- \frac{x+3}{2(x^2+6x+10)}+C=\\ &=\frac{-x-4}{2(x^2+6x+10)}-\frac{1}{2}\operatorname{arctg}(x+3)+C \end{aligned}

Интегрирование правильных дробей

Рассмотрим правильную дробь R(x)=\frac{P(x)}{Q(x)} , где Q(x) - многочлен степени n . Не теряя общности, можно считать, что старший коэффициент в Q(x) равен 1. В курсе алгебры доказывается, что такой многочлен с действительными коэффициентами может быть разложен на множители первой и второй степени с действительными коэффициентами:

Q(x)= (x-x_1)^{\alpha}\ldots (x-x_k)^{\beta} (x^2+p\,x+q)^{\gamma}\ldots (x^2+r\,x+s)^{\delta}.

где x_1,\ldots,x_k -действительные корни многочлена Q(x) , а квадратные трехчлены не имеют действительных корней. Можно доказать, что тогда R(x) представляется в виде суммы простейших дробей вида 1) -4):

\begin{aligned}R(x)=&\frac{P(x)}{Q(x)}= \frac{A_1}{(x-x_1)^{\alpha}}+ \frac{A_2}{(x-x_1)^{\alpha-1}}+\ldots+ \frac{A_{\alpha}}{x-x_1}\,+\\ &+\,\ldots+ \frac{B_1}{(x- x_k)^{\beta}}+ \frac{B_2}{(x-x_k)^{\beta-1}}+\ldots+ \frac{B_{\beta}}{x-x_k}+ \frac{M_1x+ N_1}{(x^2+p\,x+q)^{\gamma}}\,+\\ &+\,\ldots+ \frac{M_{\gamma}+ N_{\gamma}}{x^2+ p\,x+s}+ \frac{E_1x+F_1}{(x^2+rx+s)^{\delta}}+\ldots+ \frac{E_{\delta}x+F_{\delta}}{x^2+rx+s}\, \end{aligned}

где показатели у знаменателей последовательно уменьшаются от \alpha до 1, …, от \beta до 1, от \gamma до 1, …, от \delta до 1, а A_1,\ldots,F_{\delta} - неопределенные коэффициенты. Для того чтобы найти эти коэффициенты, необходимо освободиться от знаменателей и, получив равенство двух многочленов, воспользоваться методом неопределенных коэффициентов.

Другой способ определения коэффициентов A_1,\ldots, A_{\alpha}, \ldots, F_{\delta} основан на подстановке значений переменной x . Подставляя в равенство, полученное из равенства (1) после освобождения от знаменателей, вместо x любое число, придем к линейному уравнению относительно искомых коэффициентов. Путем подстановки необходимого количества таких частных значений переменной получим систему уравнений для отыскания коэффициентов. В качестве частных значений переменной удобнее всего выбирать корни знаменателя (как действительные, так и комплексные). При этом почти все члены в правой части равенства (имеется в виду равенство двух многочленов) обращаются в нуль, что позволяет легко находить оставшиеся коэффициенты. При подстановке комплексных значений следует иметь в виду, что два комплексных числа равны тогда и только тогда, когда равны соответственно их действительные и мнимые части. Поэтому из каждого равенства, содержащего комплексные числа, получаются два уравнения.

После нахождения неопределенных коэффициентов остается вычислить интегралы от полученных простейших дробей. Так как при интегрировании простейших дробей получаются, как мы видели, лишь рациональные функции, арктангенсы и логарифмы, то интеграл от любой рациональной функции выражается через рациональную функцию, арктангенсы и логарифмы .

Пример 3. Вычислим интеграл от правильной рациональной дроби \int\frac{6x+1}{x^2+2x-3}\,dx .

Решение. Разложим знаменатель подынтегральной функции на множители:

x^2+2x-3=(x-1)(x+3).

Выпишем подынтегральную функцию и представим ее в виде суммы простейших дробей:

\frac{6x+1}{x^2+2x-3}= \frac{A}{x-1}+\frac{B}{B+3}\,.

Освободившись в этом равенстве от знаменателей, получим:

6x+1=A\cdot (x+3)+B\cdot (x-1)\,.

Для отыскания коэффициентов воспользуемся методом подстановки частных значений. Для нахождения коэффициента A положим x=1 . Тогда из равенства (2) получим 7=4A , откуда A=7/4 . Для отыскания коэффициента B положим x=-3 . Тогда из равенства (2) получим -17=-4B , откуда B=17/4 .

Итак, \frac{6x+1}{x^2+2x-3}= \frac{7}{4}\cdot\frac{1}{x-1}+ \frac{17}{4}\cdot\frac{1}{x+3} . Значит,

\int\frac{6x+1}{x^2+2x-3}\,dx= \frac{7}{4}\int\frac{dx}{x-1}+ \frac{17}{4}\int\frac{dx}{x+3}= \frac{7}{4}\ln|x-1|+ \frac{17}{4}\ln|x+3|+C.

Пример 4. Вычислим \int\frac{x^4+2x^2+8x+5}{(x^2+2)(x-1)^2(x+2)}\,dx .

Решение. Выпишем подынтегральную функцию и представим ее в виде суммы простейших дробей. В знаменателе содержится множитель x^2+2 , не имеющий действительных корней, ему соответствует дробь 2-го рода: \frac{Ax+B}{x^2+2} множителю (x-1)^2 соответствует сумма двух дробей 1-го рода: \frac{C}{(x-1)^2}+ \frac{D}{x-1} ; наконец, множителю x+2 соответствует одна дробь 1-го рода \frac{E}{x+2} . Таким образом, подынтегральную функцию мы представим в виде суммы четырех дробей:

\frac{x^4+2x^2+8x+5}{(x^2+2)(x-1)^2(x+2)}= \frac{Ax+B}{x^2+2}+ \frac{C}{(x-1)^2}+ \frac{D}{x-1}+ \frac{E}{x+2}\,.

Освободимся в этом равенстве от знаменателей. Получим:

\begin{aligned} x^4+2x^2+8x+5&= (Ax+B)(x-1)^2(x+2)+ C(x^2+2)(x+2)\,+\\ &\phantom{=}+ D(x^2+2)(x-1)(x+2)+ E(x^2+2)(x-1)^2.\end{aligned}

Знаменатель подынтегральной функции имеет два действительных корня: x=1 и x=-2 . При подстановке в равенство (4) значения x=1 получаем 16=9C , откуда находим C=16/9 . При подстановке x=-2 получаем 13=54E и соответственно определяем E=13/54 . Подстановка значения x=i\,\sqrt{2} (корня многочлена x^2+2 ) позволяет перейти к равенству

4-4+8\,i\,\sqrt{2}+5= (A\,i\,\sqrt{2}+B)\cdot (i\,\sqrt{2}-1)^2\cdot (i\,\sqrt{2}+2).

Оно преобразуется к виду:

(10A+2B)+(2A-5B)\sqrt{2}\,i= 5+8\sqrt{2}\,i , откуда 10A+2B=5 , а (2A-5B)\sqrt{2}=8\sqrt{2} .

Решив систему двух уравнений с двумя переменными \begin{cases}10A+2B=5,\\ 2A-5B=8,\end{cases} находим: A=\frac{41}{54},~ B=-\frac{35}{27} .

Осталось определить значение коэффициента D . Для этого в равенстве (4) раскроем скобки, приведем подобные члены, а затем сравним коэффициенты при x^4 . Получим:

A+D+E=1 , то есть D=0 .

Подставим найденные значения коэффициентов в равенство (3):

\frac{x^4+2x^2+8x+5}{(x^2+2)(x-1)^2(x+2)}= \frac{\drac{41}{54}\,x- \dfrac{35}{27}}{x^2+2}+ \frac{16}{9}\frac{1}{(x-1)^2}+ \frac{13}{54}\frac{1}{x+2}\,

а затем перейдем к интегрированию:

\begin{aligned}\int\frac{x^4+2x^2+8x+5}{(x^2+2)(x-1)^2(x+2)}\,dx&= \frac{41}{54}\int\frac{x\,dx}{x^2+2}- \frac{35}{27}\int\frac{dx}{x^2+2}+ \frac{16}{9} \int\frac{dx}{(x-1)^2}+ \frac{13}{54}\int\frac{dx}{x+2}=\\ &=\frac{41}{108}\ln(x^2+2)- \frac{35}{27\sqrt{2}}\operatorname{arctg}\frac{x}{\sqrt{2}}- \frac{16}{9(x-1)}+ \frac{13}{54} \ln|x+2|+C.\end{aligned}

Интегрирование неправильных дробей

Пусть нужно проинтегрировать функцию y=\frac{f(x)}{g(x)} , где f(x) и g(x) - многочлены, причем степень многочлена f(x) больше или равна степени многочлена g(x) . В этом случае прежде всего необходимо выделить целую часть неправильной дроби \frac{f(x)}{g(x)} , т. е. представить ее в виде

\frac{f(x)}{g(x)}=s(x)+ \frac{r(x)}{g(x)}\,

где s(x) - многочлен степени, равной разности степеней многочленов f(x) и g(x) , а \frac{r(x)}{g(x)} - правильная дробь.

Тогда имеем \int\frac{f(x)}{g(x)}\,dx= \int s(x)\,dx+ \int\frac{r(x)}{g(x)}\,dx\,. .

Пример 5. Вычислим интеграл от неправильной дроби \int\frac{x^4-4x^3+x^2+16x-11}{(x-1)(x+2)(x-3)}\,dx .

Решение. Имеем:

\begin{aligned}g(x)&=(x-1)(x+2)(x-3)= x^3-2x^2-5x+6,\\ f(x)&=x^4-4x^3+x^2+16x-11. \end{aligned}

Для выделения целой части разделим f(x) на g(x) : \frac{f(x)}{g(x)}= x-2+\frac{2x^2+1}{x^3-2x^2-5x+6}\,.

Значит, \int\frac{x^4-4x^3+x^2+16x-11}{(x-1)(x+2)(x-3)}\,dx= \int(x-2)dx+ \int\frac{2x^2+1}{(x-1)(x+2)(x-3)}\,dx

Имеем: \int(x-2)dx=\frac{x^2}{2}-2x+C .

Для вычисления интеграла \int\frac{2x^2+1}{(x-1)(x+2)(x-3)}\,dx применяется, как и выше, метод неопределенных коэффициентов. После вычислений, которые мы оставляем читателю, получаем.

Здесь мы приводим подробные решения трех примеров интегрирования следующих рациональных дробей:
, , .

Пример 1

Вычислить интеграл:
.

Решение

Здесь под знаком интеграла стоит рациональная функция, поскольку подынтегральное выражение является дробью из многочленов. Степень многочлена знаменателя (3 ) меньше степени многочлена числителя (4 ). Поэтому, вначале необходимо выделить целую часть дроби.

1. Выделим целую часть дроби. Делим x 4 на x 3 - 6 x 2 + 11 x - 6 :

Отсюда
.

2. Разложим знаменатель дроби на множители. Для этого нужно решить кубическое уравнение:
.
6
1, 2, 3, 6, -1, -2, -3, -6 .
Подставим x = 1 :
.

1 . Делим на x - 1 :

Отсюда
.
Решаем квадратное уравнение .
.
Корни уравнения: , .
Тогда
.

3. Разложим дробь на простейшие.

.

Итак, мы нашли:
.
Интегрируем.

Ответ

Пример 2

Вычислить интеграл:
.

Решение

Здесь в числителе дроби - многочлен нулевой степени (1 = x 0 ). В знаменателе - многочлен третьей степени. Поскольку 0 < 3 , то дробь правильная. Разложим ее на простейшие дроби.

1. Разложим знаменатель дроби на множители. Для этого нужно решить уравнение третьей степени:
.
Предположим, что оно имеет хотя бы один целый корень. Тогда он является делителем числа 3 (члена без x ). То есть целый корень может быть одним из чисел:
1, 3, -1, -3 .
Подставим x = 1 :
.

Итак, мы нашли один корень x = 1 . Делим x 3 + 2 x - 3 на x - 1 :

Итак,
.

Решаем квадратное уравнение:
x 2 + x + 3 = 0 .
Находим дискриминант: D = 1 2 - 4·3 = -11 . Поскольку D < 0 , то уравнение не имеет действительных корней. Таким образом, мы получили разложение знаменателя на множители:
.

2.
.
(x - 1)(x 2 + x + 3) :
(2.1) .
Подставим x = 1 . Тогда x - 1 = 0 ,
.

Подставим в (2.1) x = 0 :
1 = 3 A - C ;
.

Приравняем в (2.1) коэффициенты при x 2 :
;
0 = A + B ;
.

3. Интегрируем.
(2.2) .
Для вычисления второго интеграла, выделим в числителе производную знаменателя и приведем знаменатель к сумме квадратов.

;
;
.

Вычисляем I 2 .

.
Поскольку уравнение x 2 + x + 3 = 0 не имеет действительных корней, то x 2 + x + 3 > 0 . Поэтому знак модуля можно опустить.

Поставляем в (2.2) :
.

Ответ

Пример 3

Вычислить интеграл:
.

Решение

Здесь под знаком интеграла стоит дробь из многочленов. Поэтому подынтегральное выражение является рациональной функцией. Степень многочлена в числителе равна 3 . Степень многочлена знаменателя дроби равна 4 . Поскольку 3 < 4 , то дробь правильная. Поэтому ее можно раскладывать на простейшие дроби. Но для этого нужно разложить знаменатель на множители.

1. Разложим знаменатель дроби на множители. Для этого нужно решить уравнение четвертой степени:
.
Предположим, что оно имеет хотя бы один целый корень. Тогда он является делителем числа 2 (члена без x ). То есть целый корень может быть одним из чисел:
1, 2, -1, -2 .
Подставим x = -1 :
.

Итак, мы нашли один корень x = -1 . Делим на x - (-1) = x + 1 :

Итак,
.

Теперь нужно решить уравнение третьей степени:
.
Если предположить, что это уравнение имеет целый корень, то он является делителем числа 2 (члена без x ). То есть целый корень может быть одним из чисел:
1, 2, -1, -2 .
Подставим x = -1 :
.

Итак, мы нашли еще один корень x = -1 . Можно было бы, как и в предыдущем случае, разделить многочлен на , но мы сгруппируем члены:
.

Поскольку уравнение x 2 + 2 = 0 не имеет действительных корней, то мы получили разложение знаменателя на множители:
.

2. Разложим дробь на простейшие. Ищем разложение в виде:
.
Освобождаемся от знаменателя дроби, умножаем на (x + 1) 2 (x 2 + 2) :
(3.1) .
Подставим x = -1 . Тогда x + 1 = 0 ,
.

Продифференцируем (3.1) :

;

.
Подставим x = -1 и учтем, что x + 1 = 0 :
;
; .

Подставим в (3.1) x = 0 :
0 = 2 A + 2 B + D ;
.

Приравняем в (3.1) коэффициенты при x 3 :
;
1 = B + C ;
.

Итак, мы нашли разложение на простейшие дроби:
.

3. Интегрируем.

.

Одним из важнейших классов функций, интегралы от которых выражаются через элементарные функции, является класс рациональных функций.

Определение 1. Функция вида где
- многочлены степеней n и m называется рациональной. Целая рациональная функция, т.е. многочлен, интегрируется непосредственно. Интеграл от дробно-рациональной функции можно найти путем разложения на слагаемые, которые стандартным образом преобразуются к основным табличным интегралам.

Определение 2. Дробь
называется правильной, если степень числителя n меньше степени знаменателя m . Дробь, у которой степень числителя больше или равна степени знаменателя, называется неправильной.

Любую неправильную дробь можно представить в виде суммы многочлена и правильной дроби. Это делается посредством деления многочлена на многочлен «столбиком», подобно делению чисел.

Пример.

Представим дробь
в виде суммы многочлена и правильной дроби:

x - 1

Первое слагаемое
в частном получается как результат деления старшего члена
, делимого на старший членх делителя. Затем умножаем
на делительх-1 и полученный результат вычитаем из делимого; аналогично находятся остальные слагаемые неполного частного.

Выполнив деление многочленов, получим:

Это действие называется выделением целой части.

Определение 3. Простейшими дробями называются правильные рациональные дроби следующих типов:

II.
(K=2, 3, …).

III.
где квадратный трехчлен

IV.
где К=2, 3, …; квадратный трехчлен
не имеет действительных корней.

а) разложить знаменатель
на простейшие действительные множители (согласно основной теореме алгебры это разложение может содержать линейные двучлены вида
и квадратные трехчлены
, не имеющие корней);

б) написать схему разложения данной дроби на сумму простейших дробей. При этом каждому сомножителю вида
соответствуетk слагаемых видов I и II:

каждому сомножителю вида
соответствует е слагаемых видовIII и IV:

Пример.

Записать схему разложения дроби
в сумму простейших.

в) выполнить сложение полученных простейших дробей. Записать равенство числителей полученной и исходной дробей;

г) найти коэффициенты соответствующего разложения:
(методы решения будут рассмотрены ниже);

д) найденные значения коэффициентов подставить в схему разложения.

Интегрирование всякой правильной рациональной дроби после разложения на простейшие слагаемые сводится к нахождению интегралов одного из типов:

(k и e =2, 3, …).

Вычисление интеграла сводится к формулеIII:

интеграла - к формулеII:

интеграл можно найти по правилу, указанному в теории интегрирования функций, содержащих квадратный трехчлен;- путем преобразований, показанных ниже в примере 4.

Пример 1.

а) разложим знаменатель на множители:

б) напишем схему разложения подынтегральной функции на слагаемые:

в) выполним сложение простейших дробей:

Запишем равенство числителей дробей:

г) для нахождения неизвестных коэффициентов A, B, C существуют два метода.

Два многочлена равны тогда и только тогда, когда равны их коэффициенты при одинаковых степенях х , поэтому можно составить соответствующую систему уравнений. В этом заключается один из методов решения.

Коэффициенты при

свободные члены (коэф. при ):4А=8.

Решив систему, получим А=2 , В=1 , С= - 10 .

Другой метод - частных значений будет рассмотрен в следующем примере;

д) подставим найденные значения в схему разложения:

Подставляя под знак интеграла полученную сумму, и интегрируя каждое слагаемое отдельно, найдем:

Пример 2.

Тождество есть равенство, справедливое при любых значениях входящих в него неизвестных. На этом основан метод частных значений. Можно придавать х любые значения. Удобнее для вычислений брать те значения, которые обращают в нуль какие-либо слагаемые в правой части равенства.

Пусть х = 0 . Тогда 1 = А  0(0+2)+В  0 (0-1)+С  (0-1)(0+2).

Аналогично при х = - 2 имеем 1= - 2В*(-3 ), при х = 1 имеем 1 = 3А .

Следовательно,

Пример 3.

г) сначала воспользуемся методом частных значений.

Пусть х = 0 , тогда 1 = А  1, А = 1 .

При х = - 1 имеем - 1+4+2+1 = - В(1+1+1) или 6 = - 3В , В = - 2 .

Для нахождения коэффициентов С и D нужно составить еще два уравнения. Для этого можно взять любые другие значения х , например х = 1 и х = 2 . Можно воспользоваться первым методом, т.е. приравнять коэффициенты при каких-либо одинаковых степенях х , например при и. Получим