要计算这个有理数的不定积分,我们需要一步一步来,把它拆解清楚。咱们的目标是找到一个函数,它的导数就是我们给定的那个有理函数。
假设我们要算的是这个不定积分:
$int frac{P(x)}{Q(x)} dx$
其中 $P(x)$ 和 $Q(x)$ 都是 $x$ 的多项式。
第一步:多项式长除法 (如果需要)
首先,我们需要检查 $P(x)$ 的次数和 $Q(x)$ 的次数。
如果 $P(x)$ 的次数小于 $Q(x)$ 的次数: 那么可以直接进行下一步的分式分解。
如果 $P(x)$ 的次数大于或等于 $Q(x)$ 的次数: 这时候,我们就需要先做一下多项式长除法。长除法的目的是把这个复杂的有理函数变成一个多项式加上一个真分式(分子次数小于分母次数)。
比如,如果我们要积 $int frac{x^3 + 2x + 1}{x^2 1} dx$。
我们可以用 $x^2 1$ 去除 $x^3 + 2x + 1$:
```
x
_______
x^21 | x^3 + 0x^2 + 2x + 1
(x^3 x)
_________
3x + 1
```
这样,我们就得到了:$frac{x^3 + 2x + 1}{x^2 1} = x + frac{3x + 1}{x^2 1}$。
现在,不定积分就变成了 $int (x + frac{3x + 1}{x^2 1}) dx = int x dx + int frac{3x + 1}{x^2 1} dx$。
$int x dx$ 是很容易算的,就是 $frac{1}{2}x^2 + C$。剩下的工作就是处理那个真分式 $int frac{3x + 1}{x^2 1} dx$。
第二步:对分母 $Q(x)$ 进行因式分解
这是最关键的一步。我们需要把分母 $Q(x)$ 分解成若干个一次因式和二次因式的乘积。
一次因式 $(ax+b)$: 形如 $xc$ 或 $ax+b$。
不可约二次因式 $(ax^2+bx+c)$: 这是指判别式 $b^24ac < 0$ 的二次多项式,它不能在实数范围内再分解了。
如何分解?
找根: 尝试找到 $Q(x)=0$ 的根。整数根通常是常数项的因数。如果能找到一次因式,就可以通过多项式除法降低次数。
考虑特殊形式: 有些分母可能是 $(xa)^n$ 或 $(x^2+bx+c)^m$ 这样的形式。
举个例子:
$Q(x) = x^2 4$ 可以分解为 $(x2)(x+2)$。
$Q(x) = x^2 + 1$ 是一个不可约二次因式。
$Q(x) = (x1)^3$ 是一种重复的一次因式。
$Q(x) = (x^2+1)^2$ 是一种重复的二次因式。
第三步:利用待定系数法进行分式分解
一旦分母 $Q(x)$ 被分解好了,我们就根据分母的因式形式,将真分式 $frac{P(x)}{Q(x)}$ 写成若干个更简单分式的和。
对于一次因式 $(xa)$: 对应一项 $frac{A}{xa}$。
对于重复的一次因式 $(xa)^k$: 对应 $k$ 项:$frac{A_1}{xa} + frac{A_2}{(xa)^2} + dots + frac{A_k}{(xa)^k}$。
对于不可约二次因式 $(ax^2+bx+c)$: 对应一项 $frac{Bx+C}{ax^2+bx+c}$。注意分子是关于 $x$ 的一次式。
对于重复的不可约二次因式 $(ax^2+bx+c)^m$: 对应 $m$ 项:$frac{B_1x+C_1}{ax^2+bx+c} + frac{B_2x+C_2}{(ax^2+bx+c)^2} + dots + frac{B_mx+C_m}{(ax^2+bx+c)^m}$。
然后,我们把这些简单分式加起来,通分,让它的分子等于原来的分子 $P(x)$。通过比较两边多项式的同次幂的系数,就能解出待定的系数(A, B, C...)。
举个例子来贯穿三步:计算 $int frac{3x+1}{x^21} dx$
1. 多项式长除法: $P(x) = 3x+1$ 的次数(1)小于 $Q(x) = x^21$ 的次数(2),所以不需要长除法。
2. 因式分解分母: $Q(x) = x^21 = (x1)(x+1)$。
3. 分式分解:
根据因式分解的结果,我们可以写成:
$frac{3x+1}{x^21} = frac{3x+1}{(x1)(x+1)} = frac{A}{x1} + frac{B}{x+1}$
通分:
$frac{3x+1}{(x1)(x+1)} = frac{A(x+1) + B(x1)}{(x1)(x+1)}$
比较分子:
$3x+1 = A(x+1) + B(x1)$
这里有两种常见的方法来求 A 和 B:
方法一:代入特殊值 (Heaviside Method)
令 $x=1$:$3(1)+1 = A(1+1) + B(11) implies 4 = 2A implies A=2$
令 $x=1$:$3(1)+1 = A(1+1) + B(11) implies 2 = 2B implies B=1$
方法二:比较系数
$3x+1 = Ax + A + Bx B$
$3x+1 = (A+B)x + (AB)$
比较 $x$ 的系数:$A+B = 3$
比较常数项:$AB = 1$
解这个方程组:
$(A+B) + (AB) = 3+1 implies 2A = 4 implies A=2$
$2+B = 3 implies B=1$
所以,$frac{3x+1}{x^21} = frac{2}{x1} + frac{1}{x+1}$。
第四步:积分
现在,我们把分式分解的结果代回积分:
$int frac{3x+1}{x^21} dx = int (frac{2}{x1} + frac{1}{x+1}) dx$
利用积分的线性性质:
$= int frac{2}{x1} dx + int frac{1}{x+1} dx$
计算这两个基本积分:
$int frac{2}{x1} dx = 2 int frac{1}{x1} dx = 2 ln|x1|$
$int frac{1}{x+1} dx = ln|x+1|$
所以,$int frac{3x+1}{x^21} dx = 2 ln|x1| + ln|x+1| + C$
(我们还可以进一步合并对数,变成 $ln((x1)^2|x+1|)$,但这通常不是必须的。)
处理其他类型的因式时需要注意的地方:
积分 $int frac{A}{xa} dx$: 结果是 $A ln|xa| + C$。
积分 $int frac{A}{(xa)^n} dx$ (n > 1): 这是一个换元积分,令 $u = xa$, $du = dx$。积分变成 $int frac{A}{u^n} du = A int u^{n} du = A frac{u^{n+1}}{n+1} + C = frac{A}{(1n)(xa)^{n1}} + C$。
积分 $int frac{Bx+C}{ax^2+bx+c} dx$ (其中 $ax^2+bx+c$ 是不可约二次式):
这一步通常比较复杂,需要拆成两部分:
1. 凑导数: 尝试让分子出现分母的导数。分母 $ax^2+bx+c$ 的导数是 $2ax+b$。
我们把分子 $Bx+C$ 写成 $k(2ax+b) + m$ 的形式。
$B = k(2a)$,所以 $k = frac{B}{2a}$。
$C = k(b) + m implies C = frac{B}{2a}b + m implies m = C frac{Bb}{2a}$。
这样,积分就变成了:
$int frac{k(2ax+b)}{ax^2+bx+c} dx + int frac{m}{ax^2+bx+c} dx$
第一个积分很容易,是 $k ln|ax^2+bx+c|$。
2. 处理常数项: 第二个积分 $int frac{m}{ax^2+bx+c} dx$ 涉及到处理一个常数除以一个不可约二次式。
配方: 先把分母配方成 $(x+p)^2+q^2$ 的形式。
$ax^2+bx+c = a(x^2 + frac{b}{a}x + frac{c}{a}) = a((x+frac{b}{2a})^2 + frac{c}{a} (frac{b}{2a})^2)$
$= a((x+frac{b}{2a})^2 + frac{4acb^2}{4a^2})$
由于是不可约二次式,所以 $4acb^2 > 0$。令 $q^2 = frac{4acb^2}{4a^2}$,所以 $q = frac{sqrt{4acb^2}}{2|a|}$。
分母变成 $a((x+frac{b}{2a})^2 + q^2)$。
换元: 令 $u = x+frac{b}{2a}$,则 $du = dx$。
积分变成 $int frac{m}{a(u^2+q^2)} du = frac{m}{a} int frac{1}{u^2+q^2} du$。
标准积分: $int frac{1}{u^2+q^2} du = frac{1}{q} arctan(frac{u}{q})$。
所以,这一部分的结果是 $frac{m}{a} cdot frac{1}{q} arctan(frac{x+frac{b}{2a}}{q})$。
积分 $int frac{Bx+C}{(ax^2+bx+c)^n} dx$ (n > 1): 这个就更复杂了,通常需要降幂公式,这超出了我们一般会遇到的范围。
总结一下整个流程,就像做一道菜:
1. 备料: 检查被积函数,看分子次数是否大于等于分母,必要时进行“预处理”(长除法)。
2. 切配: 把分母“切”成最基本、最容易处理的块(因式分解)。
3. 调味: 根据每块“食材”的特点(一次因式、重复因式、二次因式),用“待定系数”这个调料,把复杂的“食材”变成简单的、易于烹饪的配料(分式分解)。
4. 烹饪: 分别对每一份配料进行“煎炒烹炸”(积分)。
5. 装盘: 把所有“烹饪好”的配料加起来,最后撒上“常数”这个点缀,一道美味的积分就完成了!
计算有理数不定积分的关键在于耐心和细致,特别是分母的因式分解和待定系数法的计算。有时候,特别是对付重复因式或者二次因式的积分,会比较繁琐,需要一点点去展开和整理。