高校生物551985 views
高校国語788606 views
中学理科1631220 views
LaTeX962713 views
数学講師2890703 views
教育149564 views
高校化学2925825 views
中学数学623977 views
小学理科720199 views
Computer368461 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

分母を因数分解できれば必ず解ける、有理関数の積分

実数係数の多項式は、 次式と既約な 次式の積に必ず分解します[1]。分母をそこまで割れば、有理関数の積分はいつでも終わる。

出てくる形は つだけです。 から対数、 からべき、 から逆正接。答えはこの つの組み合わせになります。

以下は 問です。単純な分解から始め、重根、既約 次、仮分数、平方完成、 次の分母まで並べました。

分解の形

分母の因数によって、立てる項の形が決まります[1]

次因子
次の重複
既約
既約 次の重複 乗から 乗まで、分子はすべて

分子の次数が分母以上なら、先に多項式の割り算をします[1]。真分数にしてからでないと分解できません。

問題 1:1 次因子が 2 つ

を計算せよ。

解答 1

と分けます。

通分して です。 を入れて を入れて

分母が になる値を代入して係数を出す、が最短の手順です。

問題 2:分子に x がある

を計算せよ。

解答 2

と置きます。 です。

分子の次数が分母より低ければ、分子が何であっても手順は同じになります。

問題 3:重根がある

を計算せよ。

解答 3

重複した因子には、 乗と 乗の両方を立てます[1]

です。

残る を入れて から です。

乗の項からは対数ではなく が出ます。行き先が違う点が要です。

問題 4:既約な 2 次因子

を計算せよ。

解答 4

は実数の範囲で因数分解できません。分子を 次に立てます。

で、 から 。係数を比べて です。

既約 次の分子を定数で立てると、係数が合いません。 次にする必要があります。

問題 5:分子を 2 つに割る

を計算せよ。

解答 5

分子を分母の微分の部分と定数に分けます。

既約 次から出るのは対数と逆正接の 本です。 の部分が対数、残りが逆正接になります。

問題 6:仮分数

を計算せよ。

解答 6

分子の次数が分母以上なので、先に割ります[1]

割らずに分解しようとすると、係数が定まりません。真分数に直す。それが最初の手順です。

問題 7:約分できる場合

を計算せよ。

解答 7

分母を因数分解します。 です。

分子と共通因子があるので、そのまま約分できます。

分解を始める前に約分を確かめます。ここを飛ばすと無駄な計算が増えます。

問題 8:平方完成が要る

を計算せよ。

解答 8

分母は判別式が負で既約です。平方完成します。

と置けば標準形になります。

から までの定積分は です。既約 次はまず平方完成、が定石になります。

問題 9:既約 2 次の重複

を計算せよ。

解答 9

分解では済まないので、 と置換します。 です。

戻すと次の形です。

から までは になります。既約 次の重複は、置換か漸化式で下げます。

問題 10:分子が 1 次で重複がある

を計算せよ。

解答 10

分子を つに割ります。 の側は置換で片づく。

残りは問題 の結果です。合わせます。

から までは です。分子を分母の微分の部分と定数に割る、が既約 次での共通の手になります。

問題 11:ヘヴィサイドの被覆法

を計算せよ。

解答 11

次因子だけで重複がなければ、係数は つずつ直接出せます[1]

求めたい因子を隠し、その根を残りに代入します。

連立方程式を立てずに済みます。 次因子が 個でも 個でも、同じ手間で出ます。

問題 12:分母が 3 次

を計算せよ。

解答 12

と分けます。 次の側は判別式が で既約です。

次の側は、分母の微分 を作ってから残りを分けます。

から までは です。 次でも手順は変わらず、項が増えるだけになります。

問題 13:係数の決め方を 2 通りで

の係数を、代入と係数比較の 通りで求めよ。

解答 13

と置きます。

代入なら です。 になります。

係数比較なら の項から 、定数項から です。解くと同じ値が出ます。

代入は 次因子で速く、係数比較は既約 次や重複があるときに要ります。両方使える場面では代入を選びます。

問題 14:定積分

を計算せよ。

解答 14

問題 の結果を使います。

値は です。積分区間に が入っていないことを先に確かめます。

をまたぐ区間なら、そこで被積分関数が発散して広義積分になります。分母の零点と区間の位置関係は、計算前に見ておきます。

問題 15:初等関数で必ず書ける理由

有理関数の不定積分が、いつでも初等関数で書けることを説明せよ。

解答 15

実数係数の多項式は、 次式と既約 次式の積に分解します。代数学の基本定理から従う事実です[1]

したがって部分分数分解でできる項は 種類に限られます。 と多項式です。

前者は かべき、後者は平方完成と漸化式で に落ちます。多項式はそのまま積分できる。

のように書けない例が出るのは、有理関数の外側です。分母を因数分解できさえすれば、この種の行き止まりはありません。

つまずきやすいところ

分解の立て方で誤ります。

真分数にしないまま分解する

分子の次数が分母以上なら、先に多項式の割り算をします。

重複した因子に 項しか立てない

には 乗から 乗まで 項が要ります。

既約 次の分子を定数にする

の形に立てます。定数だけでは係数が合いません。

被覆法を重複した因子に使う

次で重複がないときだけの手です。ほかは連立で解きます。

分母を因数分解したら、因子の型を見て項を立てる。ここさえ正しければ、あとは連立方程式です。

の部分分数分解で、立てる項はいくつになりますか。

__RESULT__

から 乗・ 乗・ 乗の 項、既約 次の から 項です。分子が 次でも 項として数えます。

よくある誤り

仮分数のまま分解しようとする。先に多項式の割り算をします。
重複した因子に 項しか立てない。 乗なら 項が要ります。
既約 次の分子を定数で立てる。 にします。
約分を確かめずに分解を始める。共通因子があれば手間が消えます。
被覆法を重複した因子に当てる。 次で重複なしのときだけです。
平方完成せずに逆正接の形へ進む。 に直してからです。
定積分で分母の零点が区間に入っていないかを見ない。入れば広義積分になります。

分母を因数分解して型を見る。それだけで、立てる項も答えの形も先に決まります。

参考文献

[1] が部分分数分解の一般形・真分数への直し方・被覆法・実係数多項式の分解、[2] がドイツ語での記述、[3] が部分分数分解による有理関数の記号的積分、[4] が三角置換、[5] が代数学の基本定理です。

Partial fraction decomposition - Wikipedia
Partialbruchzerlegung - Wikipedia
Partial fractions in integration - Wikipedia
Trigonometric substitution - Wikipedia
Fundamental theorem of algebra - Wikipedia
実数係数の多項式は $1$ 次式と既約な $2$ 次式の積に必ず分解します。だから部分分数で出る形は $3$ つだけで、答えも対数・べき・逆正接の組み合わせに決まる。$15$ 問で、重複した因子には $k$ 項立てる、既約 $2$ 次の分子は $1$ 次にする、仮分数は先に割る、といった型を順に扱いました。$1$ 次で重複がなければ被覆法で係数が直接出せます。平方完成が要る場合、$(x^2+1)^2$ のような重複、分母が $3$ 次の場合、そして係数を代入と係数比較の $2$ 通りで求める手順まで並べています。