Интегрирование рациональных функций

Рассмотрим интегралы от простейших дробей:

I.

II.

III.

IV.

где А, В, р, q, a - действительные числа.

На конкретных примерах покажем, как интегрируются простейшие дроби III и IV типов.

Пример 9. Найти интеграл .

Решение. В квадратном трехчлене, содержащемся в знаменателе подынтегральной функции, выделим полный квадрат:

Имеем

Использована формула 16 из таблицы интегралов.

Пример 10. Найти интеграл .

Решение. Выделим в числителе дроби такую линейную функцию, которая равнялась бы производной знаменателя:

Имеем

Заметим, что в первом из полученных интегралов . Введем новую переменную , получим табличный интеграл 3. Во втором интеграле в квадратном трехчлене выделим полный квадрат: , а интеграл сведем к табличному (формула 17). Тогда

При интегрировании рациональных дробей IV типа необходимо воспользоваться, так называемой, рекуррентной формулой:

;

Пример 11. Найти интеграл

Решение. Здесь После применения рекуррентной формулы получим

Если , то рекуррентной формулой нужно пользоваться несколько раз, пока интеграл не будет сведен к табличному.

Пример 12. Найти интеграл

Решение. Преобразуем подынтегральную функцию. Сначала в числителе выделим производную от квадратного трехчлена, стоящего в знаменателе, далее разобьем интеграл на сумму двух, один из которых легко свести к табличному, а другой найдем по рекуррентной формуле:

Имеем

Если под знаком интеграла стоит сложная рациональная функция, то с ней предварительно выполняют следующие преобразования:

1) если рациональная дробь неправильная, то сначала представляют ее в виде суммы целой части и правильной рациональной дроби

2) многочлен, стоящий в знаменателе рациональной функции, следует разложить на линейные и квадратичные множители в зависимости от того, каковы корни этого многочлена

,

где квадратный трехчлен не имеет действительных корней, а р и q - действительные числа;

3) правильную рациональную дробь (степень многочлена

Р(х) меньше степени многочлена Q(x)) раскладывают на простейшие дроби:

4) вычисляют неопределенные коэффициенты ,

В конечном итоге интегрирование рациональной функции сводится к отысканию интеграла от суммы многочлена и простейших рациональных дробей.

Любую правильную рациональную дробь можно представить в виде простейших дробей. Поясним это на примерах.

Пример 13. .

Дробь правильная, многочлен в знаменателе уже разложен на простые множители, корни действительные и различные. Каждому действительному некратному корню многочлена в знаменателе соответствует простейшая дробь I типа.

Пример 14. .

Дробь правильная, многочлен в знаменателе имеет один корень кратности 4.

Пример 15.

Дробь правильная, множители знаменателя неприводимые, т.к. многочлен 4-ой степени в знаменателе имеет две пары комплексно-сопряженных различных корней.

Пример 16.

Дробь правильная, многочлен в знаменателе имеет комплексные корни, является кратной парой комплексно-сопряженных корней.

Пример 17.

Данное представление правильной рациональной дроби вытекает из анализа примеров 13-16.

Коэффициенты А, В, С, D, … в разложении правильных рациональных дробей на простейшие дроби можно вычислить методом неопределенных коэффициентов. Суть его в следующем. Приводя дроби к общему знаменателю, получим равные многочлены в числителе справа и слева. Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х, получим систему линейных уравнений для определения неизвестных коэффициентов.

Пример 18. Найти .

Решение. Подынтегральная функция не является правильной рациональной дробью.

Выполним преобразования:

Пример 19. Найти .

Решение. Под знаком интеграла стоит правильная рациональная дробь. Разложим ее на простейшие:

Сравним четвертую дробь и последнюю. Два многочлена считаются равными, если будут равны коэффициенты при одинаковых сте-

пенях х:

Складывая все три равенства, получим

или .

Из первого уравнения системы или

Из второго уравнения системы получим

или

Следовательно,

.

В результате получаем

Пример 20. Найти .

Решение. Под знаком интеграла стоит неправильная рациональная дробь. Представим ее в виде суммы целой части и правильной дроби. Предварительно поделим эту дробь «уголком»

х

Получим

Дроби с равными знаменателями будут равны, если равны и их числители.

Коэффициенты А, В, С, D найдем комбинированным методом: А и С - методом подстановки, а В и D - методом неопределенных коэффициентов.

Пусть , тогда или

; .

Пусть , тогда

или

; .

Преобразуем выражение

или

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в последнем равенстве, получим систему линейных уравнений относительно неизвестных А, В, С и D.

Учитывая, что , воспользуемся только первым и вторым уравнениями системы линейных уравнений

или

Далее найдем исходный интеграл

Пример 21. Найти .

Решение. Под знаком интеграла стоит правильная рациональная дробь и можно было бы найти интеграл, представив эту дробь в виде суммы простейших дробей. Однако нахождение интеграла можно значительно упростить, если произвести замену переменной: .

Тогда