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分母が因数分解できたら和に割る - 部分分数分解から積分まで

をそのまま積分する公式はありません。ところが、この分数は 2 つの分数の差に書き直せます。

右辺の 2 項はどちらも の形で、 が原始関数。分けたあとは 1 行で積分できます。

分母が因数分解できる分数は、この形に分けてから積分します。部分分数分解と呼ばれる書き直しです。

通分すると戻る

分けた形が正しいかどうかは、通分すれば分かります。

分子の が消えて定数の が残り、前の と打ち消し合いました。

分解は通分の逆向きの操作です。ふだん和を 1 つの分数にまとめている手順を、逆にたどっている。

係数を決める

分けた形を先に立て、係数を未知数として求めます。

両辺に をかけて分母を払う。

この等式は がどんな値でも成り立ちます。だから都合のよい値を入れてよい。

を入れると が消えて 、つまり を入れると です。

代入する値は、分母が になる を選びます。片方の項が消え、係数が 1 つずつ決まる。

係数を比べる道

代入のかわりに、両辺を展開して次数ごとに比べる手もあります。

左辺に の項はないので 、定数項を見て 。この連立を解いても同じ答えになります。

代入のほうが速い。ただし重複した因数があるときは、代入だけでは決まらない係数が残ります。

分けた形を立てて係数を A、B と置く

分母を払って等式にする

分母が 0 になる x を代入する

決まらない係数は次数ごとに比べる

例 1:因数が 3 つ

因数が 3 つなら、項も 3 つ立てます。

分母を払うと

を入れると から から

積分定数を と書いたのは、係数の と重なるのを避けるためです。

重複する因数があるとき

のように同じ因数が重なっている場合、 だけでは足りません。1 乗と 2 乗の両方を立てます。

乗なら 1 乗から 乗まで、 個の項が並びます[1]

理由は分子の次数にあります。 を通分すると分子は 1 次までしか作れず、左辺の分子が 1 次より高いと合わせられない。

例 2:

分母を払います。

を入れると を入れると

は代入では決まりません。 の係数を比べます。左辺に の項はなく、右辺は

を入れて確かめます。右辺は で、左辺の と合いました。

の積分は にならない

分けたあとの各項を積分します。 ですが、 は違う形になる。

乗だけが になり、 乗以下はべきの積分のまま。 の積分で に穴が空いているのと同じ事情です。

例 2 の答えは次のとおり。

の項が 2 つと、 でない項が 1 つ。重複因数がある分解では、この混ざり方になります。

分子の次数が高いときは先に割る

部分分数分解は、分子の次数が分母より低い形に対して使います。次数が同じか高いときは、先に多項式の割り算をする。

なら、 で割って商が 、余りが です。

残った の分子は 1 次で、分母の 2 次より低い。ここから分解に入ります。

例 3:

と分けます。

分母を払うと です。

だから、次の形になります。

割らずに分解しようとすると、 では分子が 1 次までしか作れず、3 次の分子に届きません。

分けた形を通分して確かめる

係数を求めたら、通分してもとの分数に戻るかを見ます。例 3 なら次のとおり。

戻りました。符号のとり違えや係数の写しまちがいは、この 1 行で見つかります。

代入で使わなかった の値を入れて、両辺の数を比べる手もあります。例 1 で を入れると、左辺は

右辺は で合っています。

と分けたとき、 はどれですか。

__RESULT__

分母を払うと で、 を入れると です。 のほうで、 を入れると になります。

を分けるとき、立てる項はいくつですか。

__RESULT__

の 1 乗、2 乗、3 乗で 3 つ、 で 1 つ、合わせて 4 つです。重なった因数は、1 乗から 3 乗まですべて立てます。

分母を因数分解し、因数の数だけ項を立て、分母が になる値を代入する。決まらない係数が残ったら次数ごとに比べ、最後は通分して戻るかを見ます。

出典

*Integration rationaler Funktionen durch Partialbruchzerlegung*. Institut für Mathematik und Wissenschaftliches Rechnen, Universität Graz.
$\dfrac{1}{(x-1)(x+2)}$ をそのまま積分する公式はありませんが、$\dfrac{1}{3}\cdot\dfrac{1}{x-1} - \dfrac{1}{3}\cdot\dfrac{1}{x+2}$ に割れば $\log$ が 2 つ並ぶだけです。分解は通分の逆向きで、係数は分母を払ってから、分母が $0$ になる $x$ を代入すれば 1 つずつ決まる。$(x-1)^2$ のように因数が重なるときは 1 乗と 2 乗の両方を立て、代入で残った係数は次数ごとに比べます。$\dfrac{1}{(x-1)^2}$ が $\log$ ではなく $-\dfrac{1}{x-1}$ になる理由、分子の次数が高いときに先に割る手、通分して戻して確かめるところまで。