Интегрирование рациональных дробей

Рассмотрим более подробно методы для интегралов типа , где - два многочлена каких-либо степеней.

Если степень числителя больше или равна степени знаменателя, то дробь неправильная. Можно свести неправильную дробь к правильной, поделив на с остатком. В результате, появятся некоторые степенные слагаемые вне этой дроби, найти первообразные от них не проблема. Таким образом, мы должны научиться интегрировать именно правильные дроби.

Есть некоторые виды дробей, действия с которыми сводятся к тем методам, которые мы уже изучали, это так называемые «простейшие дроби» (у них знаменатель дальше нельзя разложить на множители).

=

заменой сводится к , а далее как для степенной.

= .

(обозначим этот интеграл ) решается интегрированием по частям, если обозначить всю функцию u а второй множитель 1. Получится «рекурсивная» формула, выражающая к , значит, все они сводятся к .

решается так: выделить полный квадрат, и тогда всё сведётся к виду .

выделить полный квадрат в знаменателе, и получится выражение вида .

Рассмотрим общий случай, когда степень знаменателя произвольна. Дробь при этом уже правильная, если не так, то мы отделили целую часть и проинтегрировали её отдельно.

Найдём корни знаменателя и разложим его на множители. При этом неразложимые множители могут остаться либо 1 либо 2 степени. Для любого многочлена 3 степени, уже есть хотя бы один действительный корень. Итак, в знаменателе могут быть только или .

Далее, можно разбить на сумму простейших дробей, где знаменатель каждой дроби - это один из множителей, на которые был разложен знаменатель . Например, если все корни различны, то

Называется метод неопределённых коэффициентов.

Если сумму простейших привести к общему знаменателю, то останется приравнять числители, и найти неопределённые коэффициенты.

Ситуация 1) Если все корни и различны.

Пример. .

Решение. = .

Приведём к общему знаменателю = .

Теперь приравняем числители в и .

, т.е.

, получается система уравнений:

решая её, находим .

Получается, что = =

= .

Ситуация 2. Если все корни , но среди них есть кратные.

Например, если два из 3 корней совпадают, дробь имеет такой вид: . Здесь нельзя записать и представить в виде , потому что, приводя к общему знаменателю такую сумму, мы получим в знаменателе только , а вовсе не . Таким образом, тот вариант метода разложения на простейшие, который был для различных корней, здесь приведёт к противоречию.

Разложение необходимо искать в таком виде:

Если корень кратности , то соответственно, надо включить в общую сумму таких слагаемых, где есть все степени от 1 до .

Пример. Вычислить интеграл .

Решение.Наличие множителя означает, что корень 0 кратности 2. Фактически даже можем рассматривать в таком виде: .

Сначала извлечём дробь из интеграла, и ищем разложение в виде:

=

Приводим к общему знаменателю.

=

Так как знаменатели равны, то осталось приравнять числители.

= ,

=

=

Тогда надо приравнять коэффициенты при каждой степени, получится , , .

То есть система уравнений на поиск трёх неопределённых коэффициентов:

решая эту систему, находим .

Тогда исходный интеграл распадается на сумму:

= =

= .

ЛЕКЦИЯ № 2. 21. 02. 2017

Продолжение - рациональные дроби.

Ситуация 3. Если не все корни .

Возможно, что многочлен в знаменателе дроби не полностью разлагается на первые степени, так, могут присутствовать множители 2 степени типа или с отрицательным дискриминантом, которые далее нельзя разложить, потому что у них нет действительных корней (есть комплексные корни, но они ). В этом случае вместо пары слагаемых в разложение надо включать одно, вида , т.е. правильная дробь с максимально возможной степенью в числителе, должна содержать там линейную функцию. В некоторых примерах может потом оказаться, что , однако сразу искать в виде нельзя, иначе может получаться противоречие при приведении к общему знаменателю.

А если неразложимые множители 2 степени сами кратные, то надо включить в сумму несколько слагаемых, где степени идут по нарастающей:

+ + ...

Пример. Вычислить интеграл .

Решение. Ищем разложение в виде: = .

Приводим к общему знаменателю.

=

=

=

= .

Получаем систему:

. Из разности 1-го и 2-го уравнения, получаем .

В то же время, . Тогда . Тогда .

Итак, заменим в интеграле «большую» дробь на сумму маленьких, каждая из которых приводится к табличному интегралу.

= = .

Итак, в этом параграфе мы рассмотрели все типы рациональных дробей. Других случаев нет, т.к. неделимых множителей 3 степени уже быть не может, для многочлена 3 степени есть хотя бы один действительный корень.