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

故原式化为

分别求解系数

对于 $E$

同理,对于 $Ax+B$

故 $Ax+B$ 可进一步化简

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