MA.4.2 有理函数的不定积分

一、有理函数的积分

有理函数

Definition

R(x)=Pn(x)Qm(x), 其中 Pn(x) 和 Qm(x) 为 n,m 次多项式.

假分式与真分式
Definition

 若 n⩾m, 则称 P(x)Q(x) 为有理假分式; 若 n<m, 则称 P(x)Q(x) 为有理真分式. 

代数学定理

真分式可分解为下列两类简单分式之和

  1. A(x−a)k,(k∈N);

  2. Bx+D(x2+px+q)k,(Δ=p2−4q<0).

Analysis
(1) =A∫1(x−a)kd(x−a)=

{ln⁡⁡|x−a|+c,k=111−k(x−a)k+1,k>1

(2) 对于积分(2)

  1. 当 k=1 时分子拆分,分母配方
∫Bx+Dx2+px+q dx=B2∫d(x2+px+q)x2+px+q+12∫2D−Bp(x+p2)2+(−Δ2)2 d(x+p2)=B2ln⁡(x2+px+q)+2D−Bp−Δarctan⁡2x+p−Δ+C.
  1. 当 k>1 时
∫Bx+D(x2+px+q)k dx=B2∫d(x2+px+q)(x2+px+q)k+12∫2D−Bp[(x+p2)2+(−Δ2)2]k d(x+p2)=B2(1−k)(x2+px+q)1−k+β∫du(u2+α2)k (见例12) 

其中 β=2D−Bp2,α=−Δ2,u=x+p2.

而由 §4.1 中 例4.1.14 的递推公式知, 上式右端的第二个不定积分也是一个初等函数. 这样, 我们就证明了有理真分式的原函数 (进而任意有理函数的原函数)都是初等函数.

问题 如何把真分式 R(x)=P(x)Q(x) 分解成简单分式之和?

Analysis

设 z 为零点, 有

a0zn+a1zn−1+…+an,zz+an=0

∴ 由共轭运算法则

a0zn+a1zn−1+…+an,1z+an―=0⇒a0zn―+a1zn−1―+…+an−1z―+a¯n=0⇒a0― zn―+a1― zn−1―+…+an,― z―+an―=0⇒a0zn―+a1zn−1―+…+an−1z―+an=0

∴ a0zn+a1zn−1+…+an,zz+an

=a0(x−x1)k1(x−x2)k2⋯(x−xn)km⋅(x−ξ1)l1(x−ξ1―)l1⋯

其中 xi∈Rξi=α+iβ∈C

且 (x−ξi)(x−ξi)
=(x−(α+iβ))(x−(α−iβ))
=x2−2αx+α2+β2

Solution

  1. 若 Q(x) 有因式 (x−a)k, 则 R(x) 的分解式中有
∑i=1kAi(x−a)i
  1. 若 Q(x) 有 k 重二次因式 (x2+px+q)k(Δ<0), 则 R(x) 的分解式中有
∑i=1kBix+Di(x2+px+q)i

其中 Ai,Bi,Di 常用待定系数法确定

例题
Example

例1 求 ∫1x3+1 dx.

Solution

实数范围内彻底分解: x3+1=(x+1)(x2−x+1)

设

1x3+1=Ax+1+Bx+Cx2−x+1 (待定形式) =(A+B)x2+(−A+B+C)x+(A+C)x3+1

对比系数 ⇒ 线性方程组 + Cramer 法则

⇒{A+B=0−A+B+C=0A+C=1⇒A=1/3,B=−1/3,C=2/3.

所以,
∫1x3+1 dx=13∫1x+1 dx−13∫x−2x2−x+1 dx
 =13ln⁡|x+1|−16∫d(x2−x+1)x2−x+1+12∫d(x−12)(x−12)2+34
 =13ln⁡|x+1|−16ln⁡(x2−x+1)+13arctan⁡2x−13+C


TIP
其中 A 也可用赋值法求得. 因为

1(x+1)(x2−x+1)=Ax+1+Bx+Cx2−x+1

上式两边同乘 (x+1) 并令 x=−1 (或者x→−1) 得 A=1/3.

联动添项法和凑微分法

有理式次数较大时, 常用添项法和凑微分法, 通常当分母已因式分解好时才用公式.

Example

例 2 求 ∫dxx(x8+1).

解原式 =∫(x8+1)−x8x(x8+1)dx

=∫1xdx−∫x7x8+1dx=ln⁡|x|−18∫1x8+1d(x8+1)=ln⁡|x|−18ln⁡(x8+1)+C
Example

例3 求 I=∫x2x4+1 dx,J=∫1x4+1 dx

Solution

I+J=∫x2+1x4+1dx
=∫1+1x2x2+1x2dx(x≠0)
=∫d(x−1x)(x−1x)2+22
=12arctan⁡x−1x2

I−J=∫x2−1x4+1dx
=∫1−1x2x2+1x2dx
=∫d(x+1x)(x+1x)2−(2)2
=122ln⁡|x+1x−2x+1x+2|+c

⇒I=…;J=…

Quote

Recall. ∫(x2+1)dxx4+x2+1

Solution.II
∫(x2+1)dxx4+x2+1
=∫(x2+1)dx(x2+1)−x2
=∫(x2+1)dx(x2+x+1)(x2−x+1)
=∫(Ax+Bα2+x+1+Cx+Dx2−x+1)dx

不难看出 =12∫(1x2+x+1+1x2−x+1)dx

=⋯

二、三角函数有理式的积分

三角函数有理式

Definition

R(sin⁡x,cos⁡x)

R(u,v) 为有理函数

例题
sin⁡x 和 cos⁡x 的偶次有理式化为 tan⁡x 的有理式
Example

例4 求 ∫dxsin4⁡xcos2⁡x.

原式 =∫dtan⁡xsin4⁡x
=∫1cos4⁡xdtan⁡xtan4⁡x(dxi)
=∫(tan2⁡x+1)2tan4⁡xdtan⁡x
=∫(1+2tan2⁡x+1tan4⁡x)dtan⁡x
=tan⁡x−2x1tan⁡x−13⋅1tan3⁡x+C

万能公式/万能变换

万能变换适合次数小的三角函数有理式积分.(万能:不到迫不得已,万万不能)

令 t=tan⁡(x/2), 则

sin⁡x=2t1+t2,cos⁡x=1−t21+t2, dx=2 dt1+t2∫R(sin⁡x,cos⁡x)dx=∫R(2t1+t2,1−t21+t2)⋅21+t2 dt

上述有理数运算封闭
故三角函数有理式积分可化为有理函数积分求得(计算量可能大)

Example

例 5 求 ∫dx5−4cos⁡x.

Solution

 原式 =∫21+t2dt5−41−t21+t2=∫2dt1+9t2=23∫11+(3t)2d(3t)=23arctan⁡3t=23arctan⁡(3tan⁡x2)+C

三、其它初等函数的积分

无理函数

被积函数中含有根式. 常采用第二代换法
去掉根式, 化为有理函数的积分.

Example

例 6 求 ∫dxx−x3.

Solution

原式=x=t6∫6t5dtt3−t2=6∫t3−1+1t−1dt=6∫(t2+t+1+1t−1)dt=2t3+3t2+6t+6ln⁡|t−1|+c 其中 t=x6
Example

例7 求 ∫3x+5x2+x−1 dx. 分母内有平方差/和: 可查表

原式=∫32(2x+1)+72x2+x−1=32∫d(x2+x−1)x2+x−1+72∫d(x+12)(x+12)2−54=32⋅2x2+x−1+72ln⁡(x+12+x2+x−1)
“积不出” 的函数

原函数非初等的函数

e−x2,sin⁡xx,cos⁡xx,1ln⁡x,sin⁡(x2),cos⁡(x2)

HW:

P155/6.7(3k+2)P163/1(5,8)2(4,6,7,8)