×   HOME JAVA NETPLOT OCTAVE Traži ...
☰   matematika2
Integriranje rastava na parcijalne     Integriranje racionalnih funkcija     Racionalne funkcije trigonometrijskih funkcija


Primjer

Kao ilustraciju postupka integriranja racionalnih funkcija riješit ćemo jedan složeniji zadatak. Neka je

$\displaystyle I=\int \frac{x^3+2x^2+3x-6}{(x+1)(x^2+2x+3)^2}  dx.
$

Prvo provjerimo da li brojnik i nazivnik imaju zajedničkih nul-točaka. Nul-točke nazivnika su

$\displaystyle x_1=-1, \qquad x_{2,3}=\frac{-2\pm\sqrt{-8}}{2}.
$

Broj $ x_4=1$ je očito jedna nul-točka brojnika. Iz

$\displaystyle (x^3+2x^2+3x-6):(x-1)=x^2+3x+6
$

slijedi da su preostale dvije nul-točke brojnika jednake $ x_{5,6}=(-3\pm \sqrt{-15})/2$ . Dakle, brojnik i nazivnik nemaju zajedničkih nul-točaka. Nadalje, kako je stupanj brojnika jednak 3, a stupanj nazivnika jednak 5, radi se o pravoj racionalnoj funkciji. Stoga možemo pristupiti rastavljanju na parcijalne razlomke.

Po formuli (1.2), rastav na parcijalne razlomke ima oblik

$\displaystyle \frac{x^3+2x^2+3x-6}{(x+1)(x^2+2x+3)^2}
= \frac{A}{x+1}+\frac{Bx+C}{x^2+2x+3}+\frac{Dx+E}{(x^2+2x+3)^2}.
$

Množenje ove jednakost s nazivnikom daje

$\displaystyle x^3+2x^2+3x-6$ $\displaystyle =A(x^2+2x+3)^2+(Bx+C)(x+1)(x^2+2x+3)$    
  $\displaystyle \quad +(Dx+E)(x+1).$    

Sređivanje desne strane po potencijama od $ x$ daje

$\displaystyle x^3+2x^2+3x-6$ $\displaystyle =x^4(A+B)+x^3(4A+3B+C)+x^2(10A+5B+3C+D)$    
  $\displaystyle \quad +x(12A+3B+5C+D+E)+ 9A+3C+E.$    

Izjednačavanje koeficijenata uz potencije od $ x$ na lijevoj i desnoj strani daje nam sustav linearnih jednadžbi petog reda:

\begin{displaymath}
\begin{array}{rcrcrcrcrcr}
A&+&B& & & & & & &=&0\\
4A&+&3B&...
...A&+&3B&+&5C&+&D&+&E&=&3\\
9A& & &+&3C& & &+&E&=&-6
\end{array}\end{displaymath}

Proširena matrica sustava glasi

$\displaystyle \left[\begin{array}{rrrrrrr}
1&1&0&0&0&\vline&0\\
4&3&1&0&0&\vli...
...&0&\vline &2\\
12&3&5&1&1&\vline&3\\
9&0&3&0&1&\vline&-6
\end{array}\right].
$

Nakon Gaussove eliminacije (vidi [*]M1, poglavlje 2.4) dobijemo rješenje sustava koje glasi

$\displaystyle A=-2,\quad B=2,\quad C=3,\quad D=3,\quad E=3.
$

Napomenimo da je u ovom slučaju Gaussovu eliminaciju najbolje započeti odozdo poništavajući redom elemente iznad dijagonale.

Dakle, zadani integral jednak je

$\displaystyle I$ $\displaystyle =-2\int \frac{  dx}{x+1} +\int \frac{2x+3}{x^2+2x+3}  dx+ 3\int \frac{x+1}{(x^2+2x+3)^2}  dx$    
  $\displaystyle = -2I_1+I_2+3I_3.$ (1.3)

Dalje imamo

$\displaystyle I_1=\int \frac{  dx}{x+1}=\left\{ \begin{aligned}x+1=t\\
  dx=...
...gned}\right\} =
\int\frac{  dt}{t}=\ln\vert t\vert+C_1=\ln\vert x+1\vert+C_1.
$

Zatim,

$\displaystyle I_2$ $\displaystyle =\int \frac{2x+3}{x^2+2x+3}  dx=\bigg\{ \begin{aligned}x^2+2x+3=...
... dx=  dt\end{aligned}\bigg\} = \int\frac{  dt}{t}+\int\frac{  dx}{(x+1)^2+2}$    
  $\displaystyle =\ln\vert t\vert+\frac{1}{2}\int \frac{  dx}{\frac{(x+1)^2}{2}+1...
...  ds \end{aligned}\bigg\}=\ln\vert t\vert +\frac{1}{\sqrt{2}} \frac{ds}{s^2+1}$    
  $\displaystyle = \ln \vert x^2+2x+3\vert+\frac{1}{\sqrt{2}}\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits \frac{x+1}{\sqrt{2}}+C_2.$    

Uočimo da je $ x^2+2x+3>0$ za svaki $ x$ , pa ne moramo pisati apsolutnu vrijednost.

Slično,

$\displaystyle I_3$ $\displaystyle =\int \frac{x+1}{(x^2+2x+3)^2}  dx=\bigg\{ \begin{aligned}x^2+2x...
...  dt\end{aligned}\bigg\} = \frac{1}{2}\int\frac{  dt}{t^2} =-\frac{1}{2t}+C_3$    
  $\displaystyle = -\frac{1}{2}\cdot \frac{1}{x^2+2x+3}+C_3.$    

Konačno, uvrštavanje integrala $ I_1$ , $ I_2$ i $ I_3$ u formulu (1.3) daje rješenje

$\displaystyle I=-2\ln\vert x+1\vert+\ln (x^2+2x+3)+\frac{1}{\sqrt{2}}\mathop{\m...
...{arctg}}\nolimits
\frac{x+1}{\sqrt{2}}-\frac{3}{2}\cdot \frac{1}{x^2+2x+3}+C.
$

Zadatak 1.3  
a)
Provjerite prethodno rješenje deriviranjem.
b)
Provjerite prethodno rješenje pomoću programa Online Integral Calculator.1.4
c)
Zadajte sami nekoliko integrala racionalnih funkcija i riješite ih te rezultat provjerite deriviranjem i pomoću programa Online Integral Calculator.


Integriranje rastava na parcijalne     Integriranje racionalnih funkcija     Racionalne funkcije trigonometrijskih funkcija