一类简单有理分式函数的积分解
一类简单有理分式函数的积分解
对于刚开始学习微积分的同学,一定会遇到这样几道不定积分问题
当分母次数为1或2时,答案是显然的
次数为3时,需要利用立方和公式将分母因式分解然后待定系数法裂项求解
次数为4时,可以利用组合积分法,将原式转换为求解以下两种不定积分的问题
这两个不定积分只需要将分子分母同时除以 $x^2$ ,也很容易求得答案
次数为6时,可以利用倒代换,将原式改写为
可以看出以上五个不定积分求解起来还是比较简单的,用到的都是大一所学的基础知识
那么,接下来让我们求解一下分母次数为5的情况
第一步还是因式分解
进一步分析四次项,记其为 ①,对 ① 式同除 $x^4$ 得到 ② 式
则可以得出 ① 的根互为倒数,因为 ① 式与 ② 式是等价的
用待定系数法求对 ① 进一步因式分解
对比系数可得
得
故原式化为
记
分别求解系数
对于 $E$
同理,对于 $Ax+B$
令
故 $Ax+B$ 可进一步化简
得
同理,也可解得
将 $A,B,C,D,E$ 代回原式整理得
分别令
对于 $J$
同理可求得 $K$
故最终结果为
其实没什么思维难度,只是硬算
但如果我们将这题推广到次数为 $n$ 的情况并改为求其在 $[0,+\infty)$ 上的定积分,那么我们会得到一个非常优美的结论
作换元,令 $\displaystyle u=\frac{1}{x^n+1}$,则有
则原式变为
根据余元公式
则最终结果为
当然,这个定积分也可以用留数法做,过程也挺简单的,这里就不写了
还有一种方法是利用倒代换结合 digamma 函数,请读者自行探索