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111 政治大學微積分(財政)第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(財政)

111學年度 · 111微積分(財政) · 第 4 題

題目

Problem

4. ∫x4+4x2−6x−4x4−x3+4x2−4x dx=‾\displaystyle\int \frac{x^4 + 4x^2 - 6x - 4}{x^4 - x^3 + 4x^2 - 4x}\,\mathrm{d}x = \underline{\hspace{3cm}}.

解答

解法一

思路

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  1. 分子和分母的次數相同(均為 44 次),所以先做多項式長除法,把分式化為「多項式 ++ 真分式」的形式,再對真分式做部分分式分解。
  2. 把分母 x4−x3+4x2−4x=x(x−1)(x2+4)x^4 - x^3 + 4x^2 - 4x = x(x-1)(x^2+4) 因式分解,確定部分分式的結構。
  3. 待定係數法解出各個係數後,逐項積分即可。

答題過程

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第一步:多項式長除。

分子 ÷\div 分母,分子 −- 分母 =(x4+4x2−6x−4)−(x4−x3+4x2−4x)=x3−2x−4= (x^4+4x^2-6x-4) - (x^4-x^3+4x^2-4x) = x^3 - 2x - 4,故:

x4+4x2−6x−4x4−x3+4x2−4x=1+x3−2x−4x(x−1)(x2+4)\frac{x^4+4x^2-6x-4}{x^4-x^3+4x^2-4x} = 1 + \frac{x^3-2x-4}{x(x-1)(x^2+4)}

第二步:因式分解分母。

x4−x3+4x2−4x=x(x3−x2+4x−4)=x(x−1)(x2+4)x^4 - x^3 + 4x^2 - 4x = x(x^3 - x^2 + 4x - 4) = x(x-1)(x^2+4)

第三步:部分分式分解。

x3−2x−4x(x−1)(x2+4)=Ax+Bx−1+Cx+Dx2+4\frac{x^3-2x-4}{x(x-1)(x^2+4)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x-1} + \frac{Cx+D}{x^2+4}

比較係數(或代入特殊值):

  • 代入 x=0x = 0:−4=A(−1)(4)  ⟹  A=1-4 = A(-1)(4) \implies A = 1
  • 代入 x=1x = 1:13−2(1)−4=B(1)(5)  ⟹  5B=−5  ⟹  B=−11^3 - 2(1) - 4 = B(1)(5) \implies 5B = -5 \implies B = -1
  • 比較 x3x^3 係數:A+B+C=1  ⟹  1−1+C=1  ⟹  C=1A + B + C = 1 \implies 1 - 1 + C = 1 \implies C = 1
  • 比較 x2x^2 係數:−A−C+D=0  ⟹  −1−1+D=0  ⟹  D=2-A - C + D = 0 \implies -1 - 1 + D = 0 \implies D = 2

因此部分分式分解為:

x3−2x−4x(x−1)(x2+4)=1x−1x−1+x+2x2+4\frac{x^3-2x-4}{x(x-1)(x^2+4)} = \frac{1}{x} - \frac{1}{x-1} + \frac{x+2}{x^2+4}

第四步:積分。

∫(1+1x−1x−1+xx2+4+2x2+4)dx= x+ln⁡∣x∣−ln⁡∣x−1∣+12ln⁡(x2+4)+tan⁡−1 ⁣(x2)+C\begin{align*} \int\left(1 + \frac{1}{x} - \frac{1}{x-1} + \frac{x}{x^2+4} + \frac{2}{x^2+4}\right)\mathrm{d}x \\[4mm] =\, x + \ln|x| - \ln|x-1| + \frac{1}{2}\ln(x^2+4) + \tan^{-1}\!\left(\frac{x}{2}\right) + C \end{align*} x+ln⁡∣x∣−ln⁡∣x−1∣+12ln⁡(x2+4)+tan⁡−1 ⁣x2+C\boxed{x + \ln|x| - \ln|x-1| + \frac{1}{2}\ln(x^2+4) + \tan^{-1}\!\frac{x}{2} + C}