当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 5 Integrals 积分(second part) > Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分) > Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
同学们 你们好
欢迎来到mooc在线课程微积分
这节课 我们要学习两种
特殊类型的函数的积分方法
第一种类型是有理函数
我们要使用代数方法
把有理函数做部分分式分解
然后再求不定积分
另一种类型呢 是三角有理函数
我们要使用三角公式
和万有变换来求不定积分
总之呢 我们要通过很多的例子
还具体说明这两种特殊的方法
好的 下面我们先看一下
对有理函数如何使用
部分分式分解来做不定积分
Chapter 5 Integral 积分
Unit 5
Integrations of Rational Fractions
and Trigonometrical Rational Functions
有理分式函数
与三角有理函数的积分
Section 1 Method of Partial Fractions
部分分式分解法
同学们 这一小节
我们要介绍一种特殊的积分方法
它的积分对象
就是那些有理函数
一般而言
对有理函数直接做积分是比较困难的
所以我们需要一些代数技巧
这个技巧就是
先把有理函数分解成一些标准的项
而这些标准项
都比较容易做积分运算
好的 我们来看一下这个理论
我们先假设某一个有理函数f
我们看一下
怎么对这个f进行操作
Let f (x) be any rational function
over R
假设f(x)是一个实系数的
有理函数
In other words, suppose
there exist real polynomials functions
p(x) and q (x)
and q(x) is not 0
such that f is the ratio of p and q
因为f是一个有理函数
按有理函数定义呢
它一定可以写成
两个多项式的商
当然我们可以进一步假设
p与q是互质的多项式
they are relative prime
好接下来
我们就要对现在的
这种分式表达式进行操作
我们先要研究一下它的分母
By dividing both the numerator
and the denominator by the leading
coeffcient of q (x ), we may assume
without loss of generality
that q(x) is monic
对刚才我们已经把f
写成p/q这种形式
我们再操作一步 很简单
就是把q的首项的系数拿出来
让分子分母同除以这个数
这样的话
也就是说把分母的第一项
就是x的幂数最高的那一项
系数化成了1
这种多项式通常叫做首一多项式
英语里叫做monic
首项系数为1
于是我们假设q的首项系数1
好的 请看下一步
By the fundamental theorem of algebra
根据代数基本定理
可能有的同学呢
对代数基本定理不是很了解
我们简单说一下
这里的代数基本定理
意思就是说
每一个多项式方程
总是能找到它的根的
这个根可以是复根
we can write
q(x)=(x-a1^j1)…(x-am^jm)
(x+b1x+c1) ^k1…(x+bnx+cn) ^kn
什么意思呢
根据代数基本定理
q作为一个多项式
它呢可以求出它的根
于是根据它的根的情况
我们可以把q进行分解
让我们简单解释一下
这里的分解结果
其中a1一直到am
b1到bn c1到cn
都是实数
they are all real numbers
而且a1到am
是q(x)的全部实根
当然每一个实根可能有重复
这个重复就体现在它的指数上面
ji的大小了
如果ji是1
就表示它不是重根
ji是2就表示它是二重根
类似的
另外 后面这些项
x^2+b1x+c1
一直到x^2+bnx+cn
这些式子
我们假设每一个都是没有实根的
也就是说我们假设
bi^2减去4ci是小于零的
这样的话
后面这些因子都没有实根了
好的 这里边这些指数呢
j1到jm k1到kn
我们强调一下
它们都是正整数
而ji表示ai所对应的重数
ai是q(x)的实根
而每一个x^2+bix+ci就对应
q(x)的两个共轭的复根
它们的重数就体现为ki了
好的我们把刚才这些因子
再总结一下
The terms (x-ai) are the
linear factors of q(x)
x减去ai
是q(x)的那些线性因子项
which correspond to real roots of q(x)
它们对应的是q的实根
and the terms x^2+bix+ci
are the irreducible quadratic
factors of q(x)
第二句话的意思是说
那些x^2+bix+ci
是q的那些不可分解的二次项的因子
所谓不可再分解实际上指的是
它们不能再分解成
实的两个一次项的乘积
换言之它们没有实根
因此呢
x^2+bix+ci=0
这种方程呢
它有两个共轭的复根
so x^2+bix+ci correspond to
pairs of complex conjugate roots of q (x)
这句话也可以这样理解
就是q(x)除去实根以外
剩下的都是复根了
而这些复根呢
是两两互为共轭
把那些互为共轭的呢
都对应到同一个二次式
这个二次式就是x^2+bix+ci
它呢没有实根
只有共轭的复根
好了
有了以上的准备呢
我们下面就可以对有理函数
做部分分式分解了 请看
The partial fraction decomposition
of f (x ) is the following
Theorem 1.1
One can decompose
我们可以分解f=pq
这样的有理函数为
这样一串基本的式子的和
这里头我们解释一下
其中p(x)是一个多项式
也就是把多项式看做正常的一项
好了剩下的全都是真正的分式
而这些分式它们的分子的次数
是低于分母的
好的我们看一下这里边的那些项
Air Bir Cir
they are real constants
是某些常数
我们再仔细观察一下这个式子
这里边每一项求和都很多
我们看一下中间这个求和式
i从1到m
表示q的m个实根所对应的
那些分解
每一个x-ai的幂
原来的幂
我们还记得是用ji来表示的
它表示ai的重数
如果它出现的重数是ji的话
那么在f的分解式
现在我们看到的这个分解式的中间
就会对应这样一项
它是x-ai的r次幂
乘以某一个常数
也就是说r要从1变到ji
把这些项都合起来
再看后面这个求和式
这也是一个二重求和
i从1到n
这表示
q(x)的那2n个复根
所对应的那些不可约的二次式
所构成的项
它每一个分母都是x^2+bix+ci的
某一次幂的样子
这个幂r呢
从1一直变到ki
ki是相应那个复根的重数
好的 上面的分子是
Birx+Cir
注意 r的范围呢
还是要有变化的
最高项是ki
最低也要有r=1
当然这些对应的常数呢
a b c这一系列常数
某些可以为零
这个定理
就告诉我们
每一个有理函数怎么把它
做成部分分式之和
我们把刚才这个定理
用一句简单的话总结一下
就这样说
In summary we have
any rational fraction f (x)
rational function它也叫rational fraction
有理分式 好
对这样一个f(x)
it can be decomposed as the sum
of a polynomial
它呢 可以写成一个正常的多项式
再加剩下一部分
当然这个多项式
is possibly zero
可以是一个零多项式
and several fractions with
simpler denominators
也就是说它要加上一些简单的分式
这些分式都有相对简单的分母
它们是这样的
它们的分母可以是x+a的
r次幂这种样子
也可以是x^2+bx+c的
s次幂的这种样子
如果是后者的话
分子会多一项
写成Bx+C
当然这里边大写的ABC
和小写的abc
都表示一些实的常数
而其中的r s的幂
是正整数
并且我们要求b^2-4c
要小于零 也就是说
第二种基本的分式的分母
是不能再做实数分解了
刚才这个理论非常的抽象
但是利用这个理论
就可以帮助我们简化
有理函数的积分运算
下面我们用具体的例子来说明问题
好的 我们先看一个简单的例子
find the integration of
(x+5)/(x^2+x-2)
找到这样一个不定积分
我们看到这是一个典型的有理函数
直接对这个有理式
做不定积分是比较困难的
我们要把它们分解成简单的有理式
怎么分解呢
按照刚才我们所讲的
部分分式分解的方法
把这个有理式分成几个简单项
怎么分解呢
(x+5)除以(x^2+x-2)可以分解成
x-1分之2减去x+2分之1
可能有的同学要问了
你怎么看出来的呢
这里实际上这个过程是这样的
我简述一下
就是我们先找到分母
x^2+x-2的因子
它两个因子就是x-1和x+2
然后呢
按照我们刚才所讲的理论
这个式子(x+5)除以(x^2+x-2)
就要分解成一些简单的分式之和
那么我们可以假设它可以分解成
x-1分之a再加x+2分之b这样的和
然后再待定a与b就可以了
当然这是比较一般的方法
在这个具体例子中
其实我们可以一步看出来
刚才的有理式一定分解成这样子
因为这个次数都比较低
或许同学们比较
熟练掌握代数运算
下次就看出来
它一定会分解成这样
好了分解成这样有什么好处呢
这样我们就可以用换元法
来做这个不定积分了
很简单 它的结果就是
2 lnx - 1 - lnx + 2 + C
这就是这个有理式积分的结果
刚才这个例子啊
比较的简单
这个分解呢也比较容易看出来
但是有的时候呢
这个分解不是那么容易看出来
我们要用待定系数法
下面我们看一些稍微复杂的情况
好的我们看这个例子
find the integration of
(x^2+2x-1)/(2x^3+3x^2-2x)
这个有理式它的次数比较高
我们怎么看出来它的分解呢
还是我们按照原来理论的方法
我们需要找现在所面对的
这个有理式的分母的因式分解
实际上
这个被积函数
它的因子有三项
我们现在屏幕上已经写出结果了
当然我这里先给同学们说一下
它的因子是哪些
有x 2x-1 和x+2
然后呢
因为它有三项
我们可以假设刚才的有理式分解成
x分之a再加上2x-1分之b
再加上x+2分之c
其中呢abc待定
然后同学们在草稿纸上
把这些abc待定下来
它们就是2分之1
5分之1和负10分之1
就是现在我们屏幕上
所展现的这个分解式
这个过程呢
因为过于细琐
我们屏幕的宽度有限
无法全部呈现
希望同学们一定在草稿纸上
自己动手做一遍
这也是比较简单的中学的代数练习
我们这里就不做每一个细节解释了
好的分解成现在这个样子
马上就可以做积分了
这个不定积分的结果呢
是现在的形式
好 接着我们看几个
稍微更复杂一些的例子
请看现在这个例子
find the integration of this function
这个函数
次数呢
分子是二次 分母是三次
同学们自己一定要
亲自操作一遍这个分解过程
我们呢
现在直接写出它的分解式
它的分解式实际上是这样子
(x+1)/ (x-1)^2+1/ (x+1)
这个原因啊
是因为刚才这个有理式的分母中
x等于1是它的一个二重根的缘故
所以它的分解式是现在这个样子
好了写成现在这个样子呢
我们就可以再往下走了
怎么走呢
把它还要做分解
请看下一屏
我们再一次分解了第一项
第二项因为可以直接积出来
我们就直接写出答案了
好的
分解成现在这个样子呢
同学们就知道该怎么做了
因为它的结果是直接可以写出来的
现在我们看到的就是上面这个式子
的结果
当然可以进一步的合并同类项
好的 我们再举一个例子
下面这个例子是这样的
3减x除以x乘x平方加1
这里边出现了分母有虚根的情况
也就是说它有一项
x^2+1不能再做实的分解
那么怎么做呢
方法还是按照刚才我们讲的
部分分式分解法
我们直接告诉同学们
怎么分解这个有理式就可以了
好它分解出来是这个样子
这个过程呢
同学们一定要在草稿纸上
自己操作一遍
好的写成这个样子呢
我们就可以做不定积分了
请看
现在我们把它分解成三项
然后针对每一项都可以做不定积分
这就是我们下面的过程
现在呢
我们就快速的浏览一下
就不做过于细致的解释
这就是最后的结果
请同学们自己操作一遍
Section 2
Rational Functions of sin x and cos x
三角有理函数
同学们
今天我们要讲的第二个问题
是三角有理函数的积分方法
一般而言
直接积分一个三角有理函数
是非常困难的
我们要做换元法
怎么换元呢
这就是我们下面要讲的
一个通用的方法
好的
下面我们就介绍这个换元法
在介绍这个换元法之前呢
我们先来介绍一下
到底什么是三角有理式
A rational trigonometric function
三角有理式
是什么样呢
就是一定是这种形式的函数
P (sin x, cos x )/Q (sin x, cos x )
其中呢
P Q they are two variable
rational functions
也就是说P与Q
是两个二元的多项式函数
而这个二元多项式函数
要替换它的变量为sin x
cos x 这样得到的比例式
就叫做有理三角函数
又叫三角有理式
好的我们该怎么做
这种类型函数的不定积分呢
这就是下面这句话
Any rational functions of
sin x and cos x
Any rational trigonometric functions
对任何的这种类型的函数
it can always be integrated
in terms of elementary functions
after the substitution tan(x/2) = u
这种形式的有理三角函数
做积分的时候呢
我们总可以这么做
就是做一个替换
令tan2分之x等于u
下面我们就通过一个
具体的例子来看一下
这么做为什么是可以的
请看
Evaluate indefinite integral
of 1/(5+3cos x)
尽管现在我们面对的这个函数
比较简单
1/(5+3cos x)
但是呢
同学们可以亲自试一下
做怎样的变换能够积分出
这个积分式呢
似乎没有那么容易
好了 我们试一下刚才
我们所介绍的那个变换
Suppose that u = tan(x/2)
现在做的替换是这样替换的
u = tan(x/2)
换言之
x和u的关系
是用tan来联系的
x也可以写成u的函数
x = 2 arctan u
现在我们看到
sin2分之x
它就能变成
u除以根号下u平方加1
这用的是三角的恒等式
cos2分之x就会变成
1除以根号下1加上u平方
这两个关系
同学们一定要牢牢记住
这就是所谓的万能变换公式
可能同学们在中学阶段呢
已经接触过了
现在就不做详细解释了
同学们只要记住
这两个结果就可以了
根据刚才替换呢
我们就有现在这个式子了
cos x可以写成
cos平方2分之x减去sin平方2分之x
这是三角恒等式
同学们应该比较熟悉
so go ahead with that
we get 1-u^2/1+u^2
也就是说cos x
现在变成了u的函数的样子
而dx因为x和u是有关系的
那么dx自然也和du有关系
它呢就是d (2 arctan u)
which equals 2du/(1+u^2)
也就是说
刚才积分式中dx和du的关系
我们现在用这样的一个等式
把它们联系起来了
于是原来的不定积分式中
所有的x全部换成u的形式
我们就得到下面的结果
therefore
we have the integration of 1/(5+3cos x)
equals integration du/(u^2+4)
这个地方 我们直接做了替换
这个代数化简的过程
我们这里省略了
同学们一定要自己操作一遍
这样就直接得到了
它的积分结果
当然我们还要把它替换回去
替换成x的样子
好的我们再看一个典型的例子
Example 2.2
Evaluate integration dx/(1+sin x)
这个例子
跟刚才这个例子差不多
我们现在就不做过细的解释了
我们把这个解答过程呢
快速的浏览一下
还是令u等于tan2分之x
那么sin x就可以写成u的样子了
这个也是利用了三角恒等式
同学们最好记住这些结果
另外x和u的微分式的关系
我们跟刚才那个例子中是一样的
于是原来的积分式呢
就会换成关于u的函数积分式
于是它就可以积分出来了
换回去
就变成了x的函数
刚才这两个例子
解决的方法非常的接近
都是使用了
u等于tan2分之x
这样的替换
把其中的sin cos
全部换成了u的函数
dx也要用du的倍数来替换
最后 原来的三角有理函数
就转化成了关于u的有理函数
接下来
使用我们前面讲过的
关于有理函数的积分方法就可以了
作为本单元的结束呢
最后我们看一个稍微复杂的例子
这个例子要求同学们
自己动手去计算出来
这个例子是 Example 2.3
Evaluate integration of
dx/(5+4sin x+3cos x)
这个例子中
既有sin 又有cos
当我们做这个替换
u等于tan2分之x的时候呢
这个计算量比较大
同学们一定要在草稿纸上
认认真真地把所有的过程完成
我们这里直接告诉同学们
转化结果就可以了
转化成关于u这样一个
简单有理式的积分
那么它的结果一下子就算出来了
这个过程呢同学们一定要
亲自操作一遍
同学们 在这一讲中 我们学习了
两种特殊的积分方法
一种是针对有理函数的积分方法
另一种是针对
三角有理函数的积分方法
这两种方法的原理和过程呢
只要我们课后呢多多练习
就能够熟练掌握了
下节课 我们要学习积分的应用
具体的内容就是曲线的弧长
希望同学们提前预习一下
好的 我们下节课再见
-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)
--Review of Real Numbers (回顾实数)
--Exercise1-1
-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exercise 1-2
-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Exercise-1-3
-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Exercises-1-4
-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Exercise-1-5
-章节测验1
--章节测试1
-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)
--Exercises-2-1
-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Exercises-2-2
-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Exercises-2-3
-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Exercises-2-4
-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Exercises-2-5
-章节测验2
--章节测试2
-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)
--Functions and Graphs (函数与图像)
--Exercises-3-1
-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三
-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)
--Exercises-3-2
-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)
--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)
--Exercises-3-3
-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)
--Exercises-3-4
-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)
--Exercises-3-5
-Unit 6 Infinity (无穷)
--Exercises-3-6
-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
--Exercises-3-7
-Unit 8 Continuities (连续性)
--Exercises-3-8
-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
--Exercises-3-9
-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)
--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)
--Exercises-3-10
-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
--Exercises-3-11
-章节测验3
--章节测试 3
-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)
--Basics of Derivatives (导数的基本定义)
--Exercise-4-1
-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与
--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)
--Exercise-4-2
-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)
--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)
--Exercise-4-3
-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)
--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)
--Exercise-4-4
-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
--Exercise-4-5
-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)
--Exercise-4-6
-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)
--Exercise-4-8
-章节测验 4
--章节测试4
-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
- Exercise 5-1
-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Exercise-5-2
-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Exercise-5-3
-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Exercise-5-4
-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
--Exercise-5-5
-Unit 6 Arc Length(弧长)
--Exercise-5-6
-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)
--Exercise-5-7
-章节测验5
--章节测试5
-课程讲义
