分母低次幂积型的不定积分

定义

约定有理真分式

$$\frac{P(x)}{Q(x)}=\frac{P(x)}{c_0(x-a)^k(x^2+px+q)^l}$$

,(其中$k$,$l$是正整数,$p^2-4q<0$) 可唯一因式分解为有限个最简有理分式之和,即

$$ \frac{P(x)}{Q(x)}=\frac{A_1}{x-a}+\frac{A_2}{(x-a)^2}+\cdots+\frac{A_k}{(x-a)^k} + \frac{B_1x+D_1}{x^2+px+q}+\frac{B_2x+D_2}{x^2+px+q}+\cdots+\frac{B_lx+D_l}{x^2+px+q} $$

化简

一些例题往往不是上面的形式,但有的可以进行化简。

分母化低次

例如分母为$(x+1)^3(x^3+1)^2$,其中的

$$ \begin{split} (x^3+1)^2 &= (x+1)^2(x^2-x+1)^2 \end{split} $$

因此分母可写为,

$$ (x+1)^5(x^2-x+1)^2 $$

分子化低次

如果分母没问题,分子次数太高,需保证该分式为真分式。

求出$A_i,$ $B_l,$ $D_l$

待定系数

一言不合,直接开干。

直接通分后列出关于$A_i,$ $B_l,$ $D_l$的等式组,解出对应值。

  • 优点:

    • 容易想到
    • 简单的式子好用
  • 缺点:

    • 难通分,通分时写许多式子,打开平方等

举教材中的一个例题

$$ \int \frac{x+2}{(2x+1)(x^2+x+1)} dx $$

可设

$$ \frac{x+2}{(2x+1)(x^2+x+1)} = \frac{A}{2x+1} + \frac{Bx+D}{x^2+x+1} $$

化简

$$ \begin{aligned} x+2 &= A(x^2+x+1)+(Bx+D)(2x+1) \\ &= (A+2B)x^2 + (A+B+2D)x +A+D \end{aligned} $$

对应次数前的系数相等,因此

$$ \left \{ \begin{aligned} & A+2B = 0 \\ & A+B+2D = 1 \\ & A + D =2 \end{aligned} \right. $$

解得,

$$ \left \{ \begin{aligned} & A =2 \\ & B =-1 \\ & D = 0 \end{aligned} \right. $$

因此,原积分化为

$$ \begin{aligned} \int \frac{x+2}{(2x+1)(x^2+x+1)} dx &= \int (\frac{2}{2x+1}-\frac{x}{x^2+x+}) dx \\ &= \int \frac{2}{2x+1}dx- \int \frac{x}{x^2+x+1} dx \end{aligned} $$

留数法

当设出

$$ \frac{x+2}{(2x+1)(x^2+x+1)} = \frac{A}{2x+1} + \frac{Bx+D}{x^2+x+1} $$

想要不通分,因为通分过程相当耗时,最后得到的一次方程组也不一定好解。 因此用留数和极限的技巧将A,B,D解出

求一次项待定系数A

如求$A$,两边乘上$A$下的分母$(2x+1)$,让$A$的分母消失

$$ \frac{x+2}{x^2+x+1}=A+\frac{(Bx+D)(2x+1)}{x^2+x+1} $$

再令$2x+1=0$,即$x=-\frac{1}{2}$,让$A$右边的等式消失

$$ \begin{aligned} \frac{x+2}{x^2+x+1} & = A \\ \end{aligned} $$

这时,直接得到A的分式,带入$x=-\frac{1}{2}$即可

$$ A=\frac{-\frac{1}{2}+2}{(-\frac{1}{2})^2+(-\frac{1}{2})+1}=2 $$

求二次项的待定系数B,D

仿照上面求$A$的思路,不难想到也是两边乘上$(x^2+x+1)$,

$$ \frac{x+2}{2x+1}=\frac{A(x^2+x+1)}{2x+1}+Bx+D $$

再令$x^2+x+1=0$,解出$x$

注意到,$x$的解是两个复数根,不好求,求出来代入也不好化简。因此要另想办法。

回到刚才求$A$时,两边乘上$(2x+1)$

$$ \begin{aligned} \frac{x+2}{x^2+x+1}=A+\frac{(Bx+D)(2x+1)}{x^2+x+1} \end{aligned} $$

两边同时取$x \to \infty$的极限

$$ \begin{aligned} \lim_{x \to \infty}\frac{x+2}{x^2+x+1} & = \lim_{x \to \infty} [A+\frac{(Bx+D)(2x+1)}{x^2+x+1}] \\ 0 &= 2 + \lim_{x \to \infty}\frac{2Bx^2+2Dx+Bx+D}{x^2+x+1} \\ B &= -1 \end{aligned} $$

再令$x=0$,(也可以是其他好算的值)

$$ \begin{aligned} 2 & = A + D \\ D &= 2-A =0 \end{aligned} $$
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最后更新于 2025年5月3日 18:12
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