4.2 有理函数的积分

高等数学A1



周维祺

有理函数

形如p(x)/q(x)p(x)/q(x),其中p,qp,q是实系数多项式

pp的次数小于qq的次数,称为真分式,例: (x+1)/(x2+1)(x+1)/(x^2+1)

否则称为假分式,例: (x2+1)/(x+1)(x^2+1)/(x+1)

多项式除法

x2+1x+3x3 ) x32x2+0x4x33x2+0x4+x2+0x4+x23x4+3x4+3x9+5\begin{array}{r} x^2 + {\color{White}1}x + 3\\ x-3\ \overline{)\ x^3 - 2x^2 + 0x - 4}\\ \underline{x^3 - 3x^2 {\color{White} {} + 0x - 4}}\\ +x^2 + 0x {\color{White} {} - 4}\\ \underline{+x^2 - 3x {\color{White} {} - 4}}\\ +3x - 4\\ \underline{+3x - 9}\\ +5 \end{array}

多项式除法

p,qp,q分别是n,mn,m次实系数多项式,且n>mn>mq(x)q(x)不恒为00,则存在唯一的一对实系数多项式f,rf,r,其中rr的次数小于mm,使得

p(x)=f(x)q(x)+r(x)p(x)=f(x)q(x)+r(x)

假分式可以写成多项式++真分式的形式

只需考虑真分式的积分

例子

  • 计算 x+3x25x+6dx\int\frac{x+3}{x^2-5x+6}dx

  • x+3x25x+6=Ax2+Bx3\frac{x+3}{x^2-5x+6}=\frac{A}{x-2}+\frac{B}{x-3}

  • 解得 x+3x25x+6=5x2+6x3\frac{x+3}{x^2-5x+6}=\frac{-5}{x-2}+\frac{6}{x-3}

  • x+3x25x+6dx=5lnx2+6lnx3+C\int\frac{x+3}{x^2-5x+6}dx=-5\ln|x-2|+6\ln|x-3|+C

例子

  • 计算 1x(x1)2dx\int\frac{1}{x(x-1)^2}dx

  • 1x(x1)2=1x+1(x1)21x1\frac{1}{x(x-1)^2}=\frac{1}{x}+\frac{1}{(x-1)^2}-\frac{1}{x-1}

  • 1x(x1)2dx=lnx1x1lnx1+C\int\frac{1}{x(x-1)^2}dx=\ln|x|-\frac{1}{x-1}-\ln|x-1|+C

例子

  • 计算 x2x2+2x+3dx\int\frac{x-2}{x^2+2x+3}dx

  • x2x2+2x+3=122x+2x2+2x+331x2+2x+3\frac{x-2}{x^2+2x+3}=\frac{1}{2}\frac{2x+2}{x^2+2x+3}-3\frac{1}{x^2+2x+3}

  • 2x+2x2+2x+3dx=ln(x2+2x+3)+C\int\frac{2x+2}{x^2+2x+3}dx=\ln(x^2+2x+3)+C

  • 1x2+2x+3dx=1(x+1)2+(2)2dx=12arctanx+12+C\int \frac{1}{x^2+2x+3}dx=\int \frac{1}{(x+1)^2+(\sqrt 2)^2}dx=\frac{1}{\sqrt{2}}\arctan\frac{x+1}{\sqrt 2}+C

方法:拆分、降低次数

转化为对数、分式或反正切的形式

练习

  • 计算以下不定积分

  • 1(1+x)(1+x2)dx\int\frac{1}{(1+x)(1+x^2)}dx

  • 1(1+2x)(1+x2)dx\int\frac{1}{(1+2x)(1+x^2)}dx

  • 1(1+x+x2)(1+x2)dx\int\frac{1}{(1+x+x^2)(1+x^2)}dx

万能代换

sinx=2sinx2cosx2=2tanx2sec2x2=2tanx21+tan2x2\sin x=2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2}=\frac{2\tan\frac{x}{2}}{\sec^2\frac{x}{2}}=\frac{2\tan\frac{x}{2}}{1+\tan^2\frac{x}{2}}

cosx=cos2x2sin2x2=1tan2x2sec2x2=1tan2x21+tan2x2\cos x=\cos^2\frac{x}{2}-\sin^2\frac{x}{2}=\frac{1-\tan^2\frac{x}{2}}{\sec^2\frac{x}{2}}=\frac{1-\tan^2\frac{x}{2}}{1+\tan^2\frac{x}{2}}

万能代换

u=tanx2u=\tan\frac{x}{2},则x=2arctanux=2\arctan u,从而

sinx=2u1+u2,cosx=1u21+u2,dx=21+u2du\sin x=\frac{2u}{1+u^2},\quad \cos x=\frac{1-u^2}{1+u^2},\quad dx=\frac{2}{1+u^2}du

例子

  • 用万能代换计算 1sin4xdx\int\frac{1}{\sin^4x}dx

  • 1sin4xdx=(1+u2)416u421+u2du=(1+u2)38u4du\int\frac{1}{\sin^4x}dx=\int\frac{(1+u^2)^4}{16u^4}\cdot\frac{2}{1+u^2}du=\int\frac{(1+u^2)^3}{8u^4}du

  • =1+3u2+3u4+u68u4du=18(13u33u+3u+u33)+C=\int\frac{1+3u^2+3u^4+u^6}{8u^4}du=\frac{1}{8}(-\frac{1}{3u^3}-\frac{3}{u}+3u+\frac{u^3}{3})+C

  • u=tanx2u=\tan\frac{x}{2}代回上式

例子

  • 不用万能代换计算 1sin4xdx\int\frac{1}{\sin^4x}dx

  • 1sin4xdx=csc2x(1+cot2x)dx\int\frac{1}{\sin^4x}dx=\int\csc^2x(1+\cot^2x)dx

  • csc2xdx=cotx+C\int\csc^2xdx=-\cot x+C

  • csc2xcot2xdx=13cot3x+C\int\csc^2x\cot^2xdx=-\frac{1}{3}\cot^3 x+C

原函数的不同形式可能大相径庭

写清步骤

万能代换是通法,但未必最简便

练习

  • 计算以下不定积分

  • sinx1+sinx+cosxdx\int\frac{\sin x}{1+\sin x+\cos x}dx

  • cotx1+sinxdx\int\frac{\cot x}{1+\sin x}dx

  • 1(2+cosx)sinxdx\int\frac{1}{(2+\cos x)\sin x}dx

例子

  • 计算 11+x+23dx\int\frac{1}{1+\sqrt[3]{x+2}}dx

  • t=x+23t=\sqrt[3]{x+2},则x=t32x=t^3-2,从而dx=3t2dtdx=3t^2dt

  • 11+x+23dx=3t21+tdt=3(t1)+1t+1dt\int\frac{1}{1+\sqrt[3]{x+2}}dx=\int\frac{3t^2}{1+t}dt=3\int(t-1)+\frac{1}{t+1}dt

  • =3(t22t+ln1+t)+C=3(\frac{t^2}{2}-t+\ln|1+t|)+C,再将t=x+23t=\sqrt[3]{x+2}代回

例子

  • 计算 1(1+x3)xdx\int\frac{1}{(1+\sqrt[3]{x})\sqrt x}dx

  • t=x6t=\sqrt[6]{x},则x=t6x=t^6,从而dx=6t5dtdx=6t^5dt

  • 1(1+x3)xdx=6t5(1+t2)t3dt=6t21+t2dt=6(111+t2)dt\int\frac{1}{(1+\sqrt[3]{x})\sqrt x}dx=\int\frac{6t^5}{(1+t^2)t^3}dt=6\int\frac{t^2}{1+t^2}dt=6\int(1-\frac{1}{1+t^2})dt

  • =6tarctant+C=6t-\arctan t+C,再将t=x6t=\sqrt[6]{x}代回

练习

  • 计算以下不定积分

  • 11+x+1+x3dx\int\frac{1}{\sqrt{1+x}+\sqrt[3]{1+x}}dx

  • 1x1+xxdx\int\frac{1}{x}\sqrt{\frac{1+x}{x}}dx

  • x3x+1+2x+1dx\int\frac{x}{\sqrt{3x+1}+\sqrt{2x+1}}dx

小结

  • 有理函数的概念及多项式除法

  • 有理函数的积分方法

  • 三角有理函数的万能代换

  • 根式有理函数的代换