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梗图上这个积分怎么算?

2022-02-07 14:42 作者:湮灭的末影狐  | 我要投稿

前几天一个群里聊到这张梗图

梗图

这个积分还真是挺不容易的。

首先,我们可以尝试将分母因式分解。首先显然

x%5E5%2B1%3D0%5CRightarrow%20x%3D0%2Ce%5E%7B%5Cpm%20i%5Cpi%2F5%7D%2Ce%5E%7B%5Cpm%203i%5Cpi%2F5%7D

所幸36°和72°的三角函数都不是超越数,所以

x%5E5%2B1%20%3D%20(x%2B1)(x%5E2-%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20%2B1%7D%7B2%7Dx%2B1)(x%5E2%2B%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20-1%7D%7B2%7Dx%2B1)

由于我们原则上利用换元积分已经解决了以下两个积分:

%5Cint%5Cfrac%7B%5Cmathrm%20d%20x%7D%7Bx%2Ba%7D%20%3D%20%5Cln%7Cx%2Ba%7C%2BC

%5Cint%20%5Cfrac%7Bk%2Bx%7D%7Ba%20x%5E2%2Bb%20x%2Bc%7D%5Cmathrm%20d%20x%20%3D%20%20%5Cfrac1%7B2a%7D%5Cln%20(a%20x%5E2%2Bb%20x%2Bc)-%5Cfrac%7B%20(b-2%20a%20k)%20%5Carctan%5Cleft(%5Cfrac%7B2%20a%20x%2Bb%7D%7B%5Csqrt%7B4%20a%20c-b%5E2%7D%7D%5Cright)%7D%7Ba%5Csqrt%7B4%20a%20c-b%5E2%7D%7D

所以我们尝试将被积函数按下式分解:

%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Cfrac1%7Bx%5E5%2B1%7D%26%3D%5Cfrac1%7B%20(x%2B1)(x%5E2-%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20%2B1%7D%7B2%7Dx%2B1)(x%5E2%2B%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20-1%7D%7B2%7Dx%2B1)%7D%5C%5C%0A%26%3D%5Cfrac%7BA%7D%7Bx%2B1%7D%2B%5Cfrac%7BBx%2BC%7D%7Bx%5E2-%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20%2B1%7D%7B2%7Dx%2B1%7D%2B%5Cfrac%7BDx%2BE%7D%7Bx%5E2%2B%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20-1%7D%7B2%7Dx%2B1%7D%0A%5Cend%7Baligned%7D

其中 ABCDE 都是待定系数。

由此,

A(x%5E2-%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20%2B1%7D%7B2%7Dx%2B1)(x%5E2%2B%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20-1%7D%7B2%7Dx%2B1)%2B(Bx%2BC)(x%2B1)(x%5E2%2B%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20-1%7D%7B2%7Dx%2B1)%2B(Dx%2BE)(x%2B1)(x%5E2-%5Cfrac%7B%5Csqrt%205%20%2B1%7D%7B2%7Dx%2B1)%3D1

两边都是多项式,比较各项系数,可以得到关于ABCDE的线性方程组(懒得打TeX格式了):

如图

再把ABCDE代回去,然后就能用常见的换元积分公式了。最后得到

积分结果

所以到这里终于积完了。

原则上,只要被积函数的分子分母都是多项式,总是可以用这种方法拆开来积,这是因为任何多项式总可以拆成多项形如 x%2Ba%2Cx%5E2%2Bbx%2Bc 之积的形式。即使有复根,因为复根总是两两共轭,仍然不影响它们构成 x%5E2%2Bbx%2Bc 形式的一项。

但是,如果分母是超过5次的多项式,这么拆很可能就遇到超越数了。

所以这种积分拿来练练手得了,真遇上了还是直接上mathematica吧...

放一个 Wolfram Alpha 给出的 step-by-step solution,只能说极具视觉冲击力...

到这儿还只是前半段...当然有两个积分是结构很接近只差几个正负号的,它也从头推了一遍,就显得特别长。

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