数学基础 -- 微积分之部分分式

部分分式分解

部分分式分解是将一个复杂的分式分解为几个简单分式的过程。它常用于积分、解方程或简化表达式。部分分式分解通常应用于有理函数,即分子和分母都是多项式的分式。

步骤

  1. 确定多项式的形式

    • 如果分母是一个多项式的乘积形式,如 (x−a)(x−b)⋯(x-a)(x-b) \cdots(xa)(xb),可以分解为简单的部分分式。
    • 对于简单的分式 P(x)Q(x)\frac{P(x)}{Q(x)}Q(x)P(x),其中 P(x)P(x)P(x)Q(x)Q(x)Q(x) 都是多项式,且 deg(P)<deg(Q)\text{deg}(P) < \text{deg}(Q)deg(P)<deg(Q),可以进行部分分式分解。
  2. 将分母多项式分解为一次因子和不可约的二次因子

    • 如果 Q(x)Q(x)Q(x) 可以分解为一次因子和不可约的二次因子,可以将其分解为部分分式形式。
    • 对于一次因子 (x−a)(x-a)(xa),部分分式为 Ax−a\frac{A}{x-a}xaA
    • 对于不可约的二次因子 (x2+bx+c)(x^2 + bx + c)(x2+bx+c),部分分式为 Ax+Bx2+bx+c\frac{Ax + B}{x^2 + bx + c}x2+bx+cAx+B
  3. 写出部分分式的形式

    • 例如,如果 Q(x)=(x−a)(x−b)(x2+bx+c)Q(x) = (x-a)(x-b)(x^2 + bx + c)Q(x)=(xa)(xb)(x2+bx+c),则:
      P(x)Q(x)=Ax−a+Bx−b+Cx+Dx2+bx+c \frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{A}{x-a} + \frac{B}{x-b} + \frac{Cx + D}{x^2 + bx + c} Q(x)P(x)=xaA+xbB+x2+bx+cCx+D
  4. 确定系数

    • 通过将右边的分式化为一个单一的分式形式,求出系数。通常通过将等式两边乘以 Q(x)Q(x)Q(x),然后比较两边的系数来确定未知系数 A,B,C,A, B, C,A,B,C,DDD
  5. 解方程

    • 比较系数或使用其他方法解出未知系数。

示例

对分式 2x+3(x−1)(x2+x+1)\frac{2x+3}{(x-1)(x^2+x+1)}(x1)(x2+x+1)2x+3 进行部分分式分解:

  1. 分解分母
    (x−1)(x2+x+1) (x-1)(x^2+x+1) (x1)(x2+x+1)

  2. 设定部分分式形式
    2x+3(x−1)(x2+x+1)=Ax−1+Bx+Cx2+x+1 \frac{2x+3}{(x-1)(x^2+x+1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx + C}{x^2+x+1} (x1)(x2+x+1)2x+3=x1A+x2+x+1Bx+C

  3. 化为同分母
    2x+3=A(x2+x+1)+(Bx+C)(x−1) 2x + 3 = A(x^2 + x + 1) + (Bx + C)(x - 1) 2x+3=A(x2+x+1)+(Bx+C)(x1)

  4. 展开和比较系数
    2x+3=A(x2+x+1)+(Bx2+Cx−Bx−C) 2x + 3 = A(x^2 + x + 1) + (Bx^2 + Cx - Bx - C) 2x+3=A(x2+x+1)+(Bx2+CxBxC)
    2x+3=(A+B)x2+(C−B+A)x+(A−C) 2x + 3 = (A + B)x^2 + (C - B + A)x + (A - C) 2x+3=(A+B)x2+(CB+A)x+(AC)

    比较系数得到:
    A+B=0 A + B = 0 A+B=0
    C−B+A=2 C - B + A = 2 CB+A=2
    A−C=3 A - C = 3 AC=3

  5. 解方程
    通过解方程组确定 A,B,CA, B, CA,B,C 的值。

完成以上步骤后,你会得到分解后的部分分式。

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