Шаг 3. Методом неопределенных коэффициентов раскладываем подынтегральную функцию в сумму простых (элементарных) дробей. Сейчас будет понятнее.
Смотрим на нашу подынтегральную функцию:
И, знаете, как-то проскакивает интуитивная мысль, что неплохо бы нашу большую дробь превратить в несколько маленьких. Например, вот так:
Возникает вопрос, а можно ли вообще так сделать? Вздохнем с облегчением, соответствующая теорема математического анализа утверждает – МОЖНО. Такое разложение существует и единственно.
Только есть одна загвоздочка, коэффициенты мы пока не знаем, отсюда и название – метод неопределенных коэффициентов.
Как вы догадались, последующие телодвижения так, не гоготать! будут направлены на то, чтобы как раз их УЗНАТЬ – выяснить, чему же равны .
Будьте внимательны, подробно объясняю один раз!
Итак, начинаем плясать от:
В левой части приводим выражение к общему знаменателю:
Теперь благополучно избавляемся от знаменателей (т.к. они одинаковы):
В левой части раскрываем скобки, неизвестные коэффициенты при этом пока не трогаем:
Заодно повторяем школьное правило умножение многочленов. В свою бытность учителем, я научился выговаривать это правило с каменным лицом: Для того чтобы умножить многочлен на многочлен нужно каждый член одного многочлена умножить на каждый член другого многочлена.
С точки зрения понятного объяснения коэффициенты лучше внести в скобки (хотя лично я никогда этого не делаю в целях экономии времени):
Составляем систему линейных уравнений. Сначала разыскиваем старшие степени: И записываем соответствующие коэффициенты в первое уравнение системы:
Хорошо запомните следующий нюанс. Что было бы, если б в правой части вообще не было ? Скажем, красовалось бы просто без всякого квадрата? В этом случае в уравнении системы нужно было бы поставить справа ноль: . Почему ноль? А потому-что в правой части всегда можно приписать этот самый квадрат с нулём: . Если в правой части отсутствует какие-нибудь переменные или (и) свободный член, то в правых частях соответствующих уравнений системы ставим нули.
Далее процесс идет по снижающейся траектории, от водки к пиву, отмечаем все «иксы»:
Записываем соответствующие коэффициенты во второе уравнение системы:
И, наконец, минералка, подбираем свободные члены.
Эх,…что-то я расшутился. Шутки прочь – математика наука серьезная. У нас в институтской группе никто не смеялся, когда доцент на лекции сказала, что разбросает члены по координатной прямой и выберет из них самые большие. Настраиваемся на серьезный лад. Хотя… кто доживет до конца этого урока, все равно будет тихо улыбаться.
Система готова:
Решаем систему:
(1) Из первого уравнения выражаем и подставляем его во 2-ое и 3-е уравнения системы. На самом деле можно было выразить (или другую букву) из другого уравнения, но в данном случае выгодно выразить именно из 1-го уравнения, поскольку там самые маленькие коэффициенты.
(2) Приводим подобные слагаемые во 2-ом и 3-м уравнениях.
(3) Почленно складываем 2-ое и 3-е уравнение, при этом, получая равенство , из которого следует, что
(4) Подставляем во второе (или третье) уравнение, откуда находим, что
(5) Подставляем и в первое уравнение, получая .
Если возникли трудности с методами решения системы отработайте их на уроке Как решить систему линейных уравнений?
После решения системы всегда полезно сделать проверку – подставить найденные значения в каждое уравнение системы, в результате всё должно «сойтись».
Почти приехали. Коэффициенты найдены, при этом:
Чистовое оформление задание должно выглядеть примерно так:
Методом неопределенных коэффициентов разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:
Как видите, основная трудность задания состояла в том, чтобы составить (правильно!) и решить (правильно!) систему линейных уравнений. А на завершающем этапе всё не так сложно: используем свойства линейности неопределенного интеграла и интегрируем. Обращаю внимание, что под каждым из трёх интегралов у нас «халявная» сложная функция, об особенностях ее интегрирования я рассказал на уроке Метод замены переменной в неопределенном интеграле.
Проверка: Дифференцируем ответ:
Получена исходная подынтегральная функция, значит, интеграл найден правильно. В ходе проверки пришлось приводить выражение к общему знаменателю, и это не случайно. Метод неопределенных коэффициентов и приведение выражения к общему знаменателю – это взаимно обратные действия.
Пример 2
Найти неопределенный интеграл.
Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.
Вернемся к дроби из первого примера: . Нетрудно заметить, что в знаменателе все множители РАЗНЫЕ. Возникает вопрос, а что делать, если дана, например, такая дробь: ? Здесь в знаменателе у нас степени, или, по-математически кратные множители. Кроме того, есть неразложимый на множители квадратный трехчлен (легко убедиться, что дискриминант уравнения отрицателен, поэтому на множители трехчлен никак не разложить). Что делать? Разложение в сумму элементарных дробей будет выглядеть наподобие с неизвестными коэффициентами вверху или как-то по-другому?
Пример 3
Представить функцию в виде суммы элементарных дробей с неизвестными коэффициентами.
Шаг 1.Проверяем, правильная ли у нас дробь Старшая степень числителя: 2 Старшая степень знаменателя: 8 , значит, дробь является правильной.
Шаг 2. Можно ли что-нибудь разложить в знаменателе на множители? Очевидно, что нет, всё уже разложено. Квадратный трехчлен не раскладывается в произведение по указанным выше причинам. Гуд. Работы меньше.
Шаг 3. Представим дробно-рациональную функцию в виде суммы элементарных дробей. В данном случае, разложение имеет следующий вид:
Смотрим на наш знаменатель: При разложении дробно-рациональной функции в сумму элементарных дробей можно выделить три принципиальных момента:
1) Если в знаменателе находится «одинокий» множитель в первой степени (в нашем случае ), то вверху ставим неопределенный коэффициент (в нашем случае ). Примеры №1,2 состояли только из таких «одиноких» множителей.
2) Если в знаменателе есть кратный множитель , то раскладывать нужно так: – то есть последовательно перебрать все степени «икса» от первой до энной степени. В нашем примере два кратных множителя: и , еще раз взгляните на приведенное мной разложение и убедитесь, что они разложены именно по этому правилу.
3) Если в знаменателе находится неразложимый многочлен второй степени (в нашем случае ), то при разложении в числителе нужно записать линейную функцию с неопределенными коэффициентами (в нашем случае с неопределенными коэффициентами и ).
На самом деле, есть еще 4-ый случай, но о нём я умолчу, поскольку на практике он встречается крайне редко.
Пример 4
Представить функцию в виде суммы элементарных дробей с неизвестными коэффициентами.
Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока. Строго следуйте алгоритму!
Если Вы разобрались, по каким принципам нужно раскладывать дробно-рациональную функцию в сумму, то сможете разгрызть практически любой интеграл рассматриваемого типа.
Пример 5
Найти неопределенный интеграл.
Шаг 1.Очевидно, что дробь является правильной:
Шаг 2. Можно ли что-нибудь разложить в знаменателе на множители? Можно. Здесь сумма кубов . Раскладываем знаменатель на множители, используя формулу сокращенного умножения
Шаг 3. Методом неопределенных коэффициентов разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:
Обратите внимание, что многочлен неразложим на множители (проверьте, что дискриминант отрицательный), поэтому вверху мы ставим линейную функцию с неизвестными коэффициентами, а не просто одну буковку.
Приводим дробь к общему знаменателю:
Составим и решим систему:
(1) Из первого уравнения выражаем и подставляем во второе уравнение системы (это наиболее рациональный способ).
(2) Приводим подобные слагаемые во втором уравнении.
(3) Почленно складываем второе и третье уравнения системы.
Все дальнейшие расчеты, в принципе, устные, так как система несложная.
(1) Записываем сумму дробей в соответствии с найденными коэффициентами .
(2) Используем свойства линейности неопределенного интеграла. Что произошло во втором интеграле? С этим методом Вы можете ознакомиться в последнем параграфе урока Интегрирование некоторых дробей.
(3) Еще раз используем свойства линейности. В третьем интеграле начинаем выделять полный квадрат (предпоследний параграф урока Интегрирование некоторых дробей).
(4) Берём второй интеграл, в третьем – выделяем полный квадрат.
(5) Берём третий интеграл. Готово.
А вот вам еще пара примеров для самостоятельного решения, один похожий, другой – труднее.
мы пока не знаем, отсюда и название – метод неопределенных коэффициентов.
? Скажем, красовалось бы просто 
без всякого квадрата? В этом случае в уравнении системы нужно было бы поставить справа ноль: 
. Почему ноль? А потому-что в правой части всегда можно приписать этот самый квадрат с нулём: 
. Если в правой части отсутствует какие-нибудь переменные или (и) свободный член, то в правых частях соответствующих уравнений системы ставим нули.
и подставляем его во 2-ое и 3-е уравнения системы. На самом деле можно было выразить 
, из которого следует, что 
.
. Нетрудно заметить, что в знаменателе все множители РАЗНЫЕ. Возникает вопрос, а что делать, если дана, например, такая дробь: 
? Здесь в знаменателе у нас степени, или, по-математически кратные множители. Кроме того, есть неразложимый на множители квадратный трехчлен 
(легко убедиться, что дискриминант уравнения 
отрицателен, поэтому на множители трехчлен никак не разложить). Что делать? Разложение в сумму элементарных дробей будет выглядеть наподобие 
с неизвестными коэффициентами 
, значит, дробь является правильной.
не раскладывается в произведение по указанным выше причинам. Гуд. Работы меньше.
), то вверху ставим неопределенный коэффициент (в нашем случае 
). Примеры №1,2 состояли только из таких «одиноких» множителей.
, то раскладывать нужно так:
– то есть последовательно перебрать все степени «икса» от первой до энной степени. В нашем примере два кратных множителя: 
и 
, еще раз взгляните на приведенное мной разложение и убедитесь, что они разложены именно по этому правилу.
с неопределенными коэффициентами 
и 
).
в виде суммы элементарных дробей с неизвестными коэффициентами.
. Раскладываем знаменатель на множители, используя формулу сокращенного умножения 
неразложим на множители (проверьте, что дискриминант отрицательный), поэтому вверху мы ставим линейную функцию 
с неизвестными коэффициентами, а не просто одну буковку.
и подставляем во второе уравнение системы (это наиболее рациональный способ).
