有理函数的不定积分
设p(x),θ(x)均为多项式函数,凡形如的函数称为有理函数,若分子次数严格低于分母的次数,则称它为真分式,否则称它为假分式.由于假分式总可化为一个多项式与一个真分式之和,因此只需研究真分式的积分法即可.
由代数学的知识可知,多项式在实数范围内总可分解成形如x-a的一次不可约因式与形如x2+px+q(p2-4q<0)的二次不可约因式之积,且将分母作此种分解后,真分式总可以表示成相应的一些部分分式之和.如果分母含有形如(x-a)k的因式,则对应的部分分式是
如果分母含有形如(x2+px+q)n的因式,则对应的部分分式是
将真分式等于其对应的部分分式之和,通分后分母必相等.再通过分子相等,从而对应的同次幂系数相等,求出待定的常数(如Ai,Bi,Ci等).这样便求出了真分式的所有部分分式.
例1 将分解为部分分式之和.
解 将分母分解因式为
x5-x4+2x3-2x2+x-1=(x-1)(x2+1)2,
则x-1对应部分分式为,(x2+1)2对应部分分式为
令
右边通分后分子相同,得
2x+2=A(x2+1)2+(B1x+C1)(x-1)(x2+1)+(B2x+C2)(x-1).
以下需求待定的系数A,B1,C1,B2,C2.
(方法一) 由于式中左右两端同次项系数相同,得线性方程组
解此方程组,得
A=1,B1=-1,C1=-1,B2=-2,C2=0.
(方法二) 取一些特殊点代入通分后的公式.
将x=1代入,得4A=4,即A=1;将x=i代入,得2i+2=(B2i+C2)(i-1),从而有B2=-2,C2=0;将x=0代入,得2=A-C1-C2,则C1=-1;将x=-1代入,得0=4A-4(C1-B1)-2(C2-B2),从而有B1=-1.
由以上两种方法均求得
完成了部分分式的分解,只需求所有部分分式的积分.实际上,只需求以下两种形式的积分:
①∫
②∫dx(p2-4q<0).
形式①积分较容易,即
形式②积分时,其将分母代为平方和的幂,即
上式右边第一个积分
上式右边第二个积分可由第二节例19的递推公式求出.
这便完成了形式②的积分的计算.因此,综合以上理论,可得有理函数不定积分的一般方法.
例2 求∫
解 由1+x3=(1+x)(1-x+x2)可以求得部分分式分解,即
从而有
用常规的方法求不定积分不一定最简便.例3若用上述方法求解,过程会相当麻烦,因而可寻求更简便的方法.
例3 求∫
解 设x-2=t,则x=2+t,dx=dt,于是