Інтегрування раціональних функцій

До раціональних функцій належать цілі та дробові раціональні функції. Інтегрування цілих раціональних функцій (многочленів) не складне. Розглянемо дробово-раціональну функцію (раціональний дріб), яка являє собою відношення двох многочленів степенів і із коефіцієнтами та відповідно:

(3.1)

Раціональний дріб називають правильним, якщо степінь чисельника менше від степеня знаменника < . У противному разі, а саме при , дріб називають неправильним.

Якщо раціональний дріб (3.1) неправильний, то діленням многочлена на його можна подати у вигляді суми цілої раціональної функції та правильного раціонального дробу, тобто

,

де многочлен - частка від ділення, многочлен - остача від ділення.

Отже, щоб проінтегрувати правильний раціональний дріб , треба:

1) розкласти многочлен на лінійні множники, які відповідають його дійсним кореням, та квадратні множники, які відповідають його комплексним кореням, а саме , де - дійсні числа, - цілі додатні числа, - -кратний дійсний корень многочлена , а квадратний тричлен не має дійсних коренів < ;

2) розкласти дріб на елементарні дроби таким чином:

(3.2)

,

 

де - невизначені коефіцієнти (деякі дійсні числа).

Для їх знаходження найчастіше користуються так званим методом невизначених коефіцієнтів. Потрібно звести праву частину рівності (3.2)до спільного знаменника, який дорівнює многочлену . В результаті дістанемо два рівні дроби з однаковими знаменниками, а їх чисельниками є тотожні многочлени. Порівнюючи далі коефіцієнти при однакових степенях лівої та правої частин тотожності, дістанемо систему лінійних алгебраїчних рівнянь, з якої визначаються шукані невідомі ,…,

.

Існує ще один спосіб знаходження невизначених коефіцієнтів. У рівності тотожніх многочленів чисельників лівого та правого дробу розкладання (3.2)слід надавати змінній довільні числові значення стільки разів, скільки коефіцієнтів потрібно визначити. При цьому обчислення значно спрощуються, якщо замість змінної брати значення коренів лінійних множників ;

3) тепер залишається обчислити як суму інтегралів від знайдених елементарних дробів. При цьому матимемо справу із наступними інтегралами:

I. , .

II. , .

III. , .

IV. ,

де , , в якому , визначається - кратним застосуванням рекурентної формули

.

 

Зразки розв’язування задач

Обчислити інтеграли.

1. .

Дріб є правильним. Розкладемо його на суму найпростіших дробів. Коренями знаменника є дійсні числа та , серед яких немає кратних. Тому чисельниками кожного дробу будуть числа . Отримаємо: . Помноживши обидві частини рівності на спільний знаменник, здобудемо:

, або .

Порівнюючи коефіцієнти при однакових степенях в правій і лівій частинах, отримаємо систему рівнянь:

з якої знайдемо .

Отже, розкладання раціонального дробу на найпростіші має вигляд:

.

Невідомі і можна визначити інакше. Після того, як позбулися знаменника, змінній можна надати стільки часткових значень, скільки коефіцієнтів треба визначити (в даному випадку – два значення). Особливо зручно надавати ті значення, які є дійсними коренями знаменника. Застосуємо цей прийом до нашого дробу. Після звільнення від знаменника отримали вираз .

При : , звідки .

При : , звідки , .

В результаті отримали ті самі значення і , що й при першому способі визначення коефіцієнтів.

Таким чином,

 

Зауваження. Якщо корені знаменника – числа тільки дійсні та різні, спосіб часткових значень є найзручнішим. В інших випадках поєднують обидва способи.

2. .

 

Розкладемо знаменник дробу на множники: . Коренями тричлена є числа та . Тому . Отже . Розкладемо даний дріб на суму найпростіших:

.

Тоді .

Для визначення коефіцієнтів застосуємо часткові значення .

При : ,

при : ,

при : .

Отже,

Шуканий інтеграл:

 

3. .

Підінтегральний дріб є неправильним, тому необхідно виділити цілу частину, поділивши чисельник на знаменник:

-

_________________

 

-

_______________

-

______________

-

_____________

 

Отже,

.

Дріб вже є правильним, розкладемо його на суму найпростіших:

, .

При : ,

при : .

Шуканий інтеграл дорівнюватиме:

 

Зауважимо, що інтеграл може бути обчислений іншими способами, наприклад, зведенням до суми двох інтегралів, один з яких – табличний, а в другому треба застосувати заміну змінної.

4. .

Як і в попередньому прикладі підінтегральний дріб є неправильним, тому виділивши в ньому цілу частину, отримаємо:

.

Тепер даний інтеграл можна подати у вигляді суми двох інтегралів:

Щоб обчислити другий інтеграл, розкладемо дріб на суму найпростіших дробів.

, .

Для отримання коефіцієнтів і використаємо корінь знаменника. При . Зважаючи на те, що інших коренів не існує, для визначення порівняємо коефіцієнти при в обох частинах рівності. В лівій частині він дорівнює , а в правій . Отже,

.

Шуканий інтеграл дорівнюватиме: .

 

5. .

Дріб є правильним. Розкладемо знаменник дробу на множники: . Бачимо, що знаменник має один дійсний корінь та пару спряжених коренів . Тому розкладання дробу на суму найпростіших має вигляд:

, звідки

.

При : ,

при : ,

при : .

Отже, .

Перший інтеграл є табличним . Для інтегрування другого доданку розіб’ємо дріб на суму двох дробів: . Перший з них інтегруємо, використовуючи заміну змінної:

.

Другий інтеграл дорівнюватиме: .

Таким чином, .

6. .

Знаменник дробу не має дійсних коренів, тому не розкладається на лінійні множники. Вчинемо інакше, а саме виділимо в ньому повний квадрат.

.

7. .

Так само, як в попередньому прикладі, знаменник не розкладається на множники. Перетворимо дріб під інтегралом: виділимо в чисельнику від похідну знаменника, яка дорівнює .

.

Отримаємо: .

До першого інтегралу застосуємо метод заміни змінної, до другого – виділення повного квадрату. Будемо мати:

(вираз не містить модуля, бо > ).

.

Тоді .

8. .

Знаменник дробу має кратні комплексні корені, тому

.

.

Порівняємо коефіцієнти при однакових степенях :

при : ,

при : ,

при : ,

при : .

Будемо мати:

.

.

.

 

Отже, .

 

Завдання для самостійної роботи

Обчислити інтеграли:

 

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. ;

6. ;

7. ;

8. .