有理函数的不定积分
- 格式:ppt
- 大小:592.00 KB
- 文档页数:16
有理函数不定积分的几种计算方法不定积分是数学中十分重要的一种概念,是在研究函数及其积分时经常用到的。
而有理函数不定积分则是比较难以求解的一类不定积分,仅仅是利用常规算法求解并不能得到解析解,甚至连数值解都不一定能求得,因此对于有理函数不定积分的计算技术就显得十分重要。
在计算有理函数不定积分的时候,主要有三种方法可以进行,它们分别是:(1)利用超求解法:超求解法是一种求解有理函数不定积分的有效办法,他是利用替代变量法将有理函数不定积分转化为定积分,从而利用定积分的方法对有理函数不定积分进行求解。
(2)利用偏微分法:偏微分法也是一种有效的求解有理函数不定积分的方法,他是利用有理函数的特点,将有理函数不定积分转化为求和式,再利用偏微分来求得有理函数不定积分的解。
(3)利用和约的方法:利用和约的方法也是一种有效的求解有理函数不定积分的方法,他是利用有理函数的特点,令有理函数不定积分计算术式可以和约化,最后再利用和约后的形式来求得解析解。
以上就是有理函数不定积分的计算方法的基本介绍,除此之外,还有一些利用特殊方法计算的,比如利用特殊函数表法、特殊函数转换法、变量变换法等,它们也是有效的求解有理函数不定积分的方法。
同样,在求解有理函数不定积分的时候,计算机也可以起到一定的作用,比如利用计算机编程、利用数值积分方法来求解有理函数不定积分,等等。
因此,有理函数不定积分的求解,不仅可以利用上述几种常规方法,也可以利用特殊的方法来求解,比如利用计算机编程、利用特殊函数转换法等,都可以获得结果。
最后,要注意的是,不管是采用何种方法,都是要仔细分析、比较各种方法间的优劣以及各自的缺点,最终从中选择最适合的求解有理函数不定积分的方法,从而达到求解有理函数不定积分的目的。
总的来说,有理函数不定积分的求解是一个非常重要的内容,只有掌握其中的知识,才能够更加快速、准确的求解有理函数不定积分的问题。
第21讲 理函数的不定积分一、有理函数的不定积分有理函数是指由两个多项式函数的商所表示的函数,其一般形式为mm mn n n xxx x x Q x P x R βββααα++++++==-- 110110)()()(, (1)其中,m 为n 非负整数,n ααα,,,10 与m βββ ,,10都是常数,且00≠α,00≠β. 若n m >,则称它为真分式;若n m ≤,则称它为假分式.由多项式的除法可知,假分式总能化为一个多项式与一个真分式之和.由于多项式的不定积分是容易求得的,因此只需研究真分式的不定积分,故设(1)为一有理真分式. 根据代数知识,有理真分式必定可以表示成若干个部分分式之和(称为部分分式分解).因而问题归结为求那些部分分式的不定积分.为此,先把怎样分解部分分式的步骤简述如下(可与例1对照着做): 第一步 对分母()x Q 在实系数内作标准分解: ()()()()()tt t s q p x q x p xa x a x x Q μμλλ++++--=21121121, (2)其中()t iji ,,2,1,1,0 ==μλβ均为自然数,而且.,,2,1,04;2211t j q p m j j si tj ji =-=+∑∑==μλ第二步 根据分母的各个因式分别写出与之相应的部分分式:对于每个形如()ka x -的因式,它所对应的部分分式是 ()();221kka x A a x A ax A -++-+-对每个形如()kq px x ++2的因式,它所对应的部分分式是()().22222211kkk q px xC x B q px xC x B qpx x C x B ++++++++++++把所有部分分式加起来,使之等于()x R .(至此,部分分式中的常数系数i i i C B A ,,尚为待定的.)第三步 确定待定系数:一般方法是将所有部分分式通分相加,所得分式的分母即为原分母()x Q ,而其分子亦应与原分子()x P 恒等.于是,按同幂项系数必定相等,得到一组关于待定系数的线性方程,这组方程的解就是需要确定的系数.例1 对()8425109422345234-+--+-++-=x x x x x x x x x x R 作部分分式分解解 按上述步骤依次执行如下:()=x Q 84252345-+--+x x x x x ()()().12222+-+-=x x x x部分分式分解的待定形式为()().122222210+-++++++-=x x C Bx x A x A x A x R (3)用()x Q 乘上式两边,得一恒等式()()1210942220234+-+≡-++-x x x A x x x x +()()()()()121222221+--++-+-x x x A x x x x A+()()()222+-+x x C Bx (4)然后使等式两边同幂项系数相等,得到线性方程组:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=---=--+=+----=+++-=++常数项的系数,的系数,的系数,的系数 .1082449483442433123,22102122103210410C A A A x C B A A x C B A A A x C B A A A x B A A 求出它的解:1,1,1,2,1210=-=-===C B A A A ,并代人(3)式,这便完成了)(x R 的部分分式分解:.11)2(12221)(22+---+-++-=x x x x x x x R上述待定系数法有时可用较简便的方法去替代.例如可将x 的某些特定值(如0)(=x Q 的根)代人(4)式,以便得到一组较简单的方程,或直接求得某几个待定系数的值.对于上例,若分别用2=x 和2-=x 代人(4)式,立即求得1120-==A A 和,于是(4)式简化成为)1)(2)(2(161232134+-+-=-+-x x x x A x x x .)2)(2)((2+-++x x C Bx为继续求得C B A ,,1,还可用x 的三个简单值代人上式,如令1,1,0-=x ,相应得到⎪⎩⎪⎨⎧=+-=++=+.83,233,42111C B A C B A C A 由此易得1,1,21=-==C B A .这就同样确定了所有待定系数. 一旦完成了部分分式分解,最后求各个部分分式的不定积分.由以上讨论知道,任何有理真分式的不定积分都将归为求以下两种形式的不定积分:⎰-I ka x dx)()(;()⎰<-+++I I )04()(22q p dx q px x M Lx k.对于()I ,已知()()⎪⎩⎪⎨⎧>+--=+-=--⎰.1,11,1,ln )(1k C a x k k C a x a x dx k k对于()II ,只要作适当换元(令2p x t +=),便化为()⎰⎰++=+++dt rtNLt dx q px xMLx kk222)(⎰⎰+++=,)()(2222kkr t dt N dt r t t L (5)其中.2,422L p M N pq r-=-=.当1=k 时,(5)式右边两个不定积分分别为⎰++=+C r t dt rtt)ln(212222,.a r c t a n 122C rtr rtdt+=+⎰ (6) 当2≥k 时,(5)式右边第一个不定积分为C r t k dt r t tk k++-=+⎰-12222))(1(21)(.对于第二个不定积分,记 ,)(122⎰-+=k k r tdtI 可用分部积分法导出递推公式如下:dt r t t r t rI kk ⎰+-+=)()(1222222⎰+-=-dt r ttrI rkk )(11222212⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=--122212)(1)1(211k k r t td k r I r.)()1(2111122212⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+=---k k k I r t tk r I r 经整理得到.)1(232))(1(2121222----++-=k k k I k r k r t k r tI (7)重复使用递推公式(7),最终归为计算1I ,这已由(6)式给出. 把所有这些局部结果代回(5)式,并令2p x t +=,就II )的计算.例2 求.)22(1222dx x xx ⎰+-+解:在本题中,由于被积函数的分母只有单一因式,因此,部分分式分解能被简化为222222)22()12()22()22(1+--++-=+-+x x x x x x x x .)22(12221222+--++-=x x x x x现分别计算部分分式的不定积分如下:.)1arctan(1)1()1(22122C x x x d x x dx +-=+--=+-⎰⎰dx x xx dx x xx ⎰⎰+-+-=+--2222)22(1)22()22(12++-+-=⎰222)22()22(x xx x d []⎰+--221)1()1(x x d.)1(221222⎰+++--=tdtx x由递推公式(7),求得其中⎰⎰+++=+121)1(2)1(2222tdtt t t dt .)1arctan(21)22(2122C x x x x +-++--=于是得到.)1a r c t a n (23)22(23)22(12222C x x x x dx x xx +-++--=+-+⎰二、三角函数有理式的不定积分⎰dx x x R )cos ,(sin 是三角函数有理式的不定积分。