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 | を 項 |
| 次の重複 | |
| 既約 次 | を 項 |
| 既約 次の重複 | 乗から 乗まで、分子はすべて 次 |
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 、 で 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。 で 、 で 。
残る は 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 、 で 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 と多項式です。
前者は かべき、後者は平方完成と漸化式で と に落ちます。多項式はそのまま積分できる。
や 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。
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。
には 乗から 乗まで 項が要ります。
の形に立てます。定数だけでは係数が合いません。
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。
- 項
- 項
- 項
よくある誤り
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。









(x−2)3 から 1 乗・2 乗・3 乗の 3 項、既約 2 次の x2+4 から x2+4Bx+C の 1 項です。分子が 1 次でも 1 項として数えます。