高等數學 | 有理分式積分技巧

2021-02-15 禎心數學

  求不定積分沒有那樣容易,即使一個看起來並不複雜的函數,要求出結果,有時候都需要一定的技巧,有些甚至還「積不出」。本節介紹一下有理分式的拆項與積分技巧。 

求不定積分的主要方法有「拆、變、湊、換、分、套」。「拆」,即將被積函數拆項,把積分變為兩個或幾個較簡單的積分。「變」,即代數恆等變形:加一項減一項、乘一項除一項、分子分母有理化、提取公因子;配完全平方:根號下配完全平方、分母配完全平方等;「湊」,即湊微法(第一類換元法)。「換」,即第二類換元法(三角代換、倒代換、指數代換法等)。「分」,即分部積分法。「套」,即套基本公式。 

求不定積分的主要技巧在一個「巧」字和一個「練」字,即巧用上述方法和綜合運用上述方法。 

  有理函數 是指由兩個多項式的商所表函數,即
 
  其中m和n都是非負整數; 及 都是實數,通常總假定分子多項 式與分母多項式 之間沒有公因式,並且 
  當 時,稱 為真分式;而當 時,稱 為假分式
一個假分式總可化為一個多項式和一個真分式之和的形式例如
 
  多項式的積分容易計算,因此,有理函數的積分主要是解決真分式的積分問題,而真分式的積分往往是轉化為最簡分式來計算.鑑此,我們先來討論真分式分解為最簡分式問題

(1)拆項技巧一:將分母n項的原式拆成2個n-1項

例1:計算積分

 
解: 
 
所以原積分 
 

(2)拆項技巧二:分子通過加減某一表達式約掉分母的部分,達到裂項的目的;
例2:計算積分 
解: 
 
而: 
 
因此: 
故原積分 

(3)拆項技巧三:分子分母同乘一個因子後,變得容易積分;此技巧不僅僅在有理分式積分時可用,也可用於其他場合;
例3:計算積分 
解: 
。。。。 

(4)技巧四:在分子抽取一個x和分母的整體或者部分組合,作為分部積分的一個部分。 

例4:計算積分 
解: 
 
。。。 

這種」吃掉」分子一個x的技巧是相當有用的,該技巧也適用於其他場合通用方法;
在實數範圍內,真分式 總可以分解成最簡分式之和,且具有這樣的對應關係:
①如果 中有因式 ,那麼分解後相應有下列 個最簡分式之和
 
其中 都是常數特別地,如果 ,那麼分解後只有一項 ;
②如果 中有因式 ,其中 ,那麼分解後相應有下列k個最簡分式之和
 

其中 都是常數特別地,如果 ,那麼分解後只有一項 
有理真分式總能分解為若干個部分分式之和的形式(部分分式是指這樣一種簡單分式,其分母為一次因式或二次質因式)。從而得到,有理真分式的積分總可以歸納為以下四種形式的部分分式的積分:
(1) (2) 
(2) 
(3) 

綜上所述,有理函數分解為多項式及部分分式之和以後,各個部分都能積出,且原函數都是初等函數,因此,有理函數的原函數都是初等函數。 

由上述定理,我們得到求有理真分式不定積分 的步驟書為:
第一步將 分解為(2)的形式;
第二步將 分解為(3)的形式;
第三步求各部分分式的原函數。 習題(答案見下一期):
【習題1】:計算積分 。 
【習題2】:計算積分 。 
【習題3】:計算積分 。 

上一期的習題答案:
【習題1】:求

 。 
提示設 ,則 
由不等式公式 ,所以 
從而: 
因此 
答案: 

【習題2】:使用夾逼定理證明 。 
提示:可設 ,  
因此有: 
所以: ,從而有: 
。。。 
【習題3】:求 。 
提示: 
而 
答案: 

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