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怎样将有理真分式分解成部分分式?

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将有理真分式分解为部分分式是数学分析中常见的操作,主要用于积分计算。以下是详细的分解方法及步骤:

一、基本方法

待定系数法

- 步骤:

1. 将分母$P(x)$分解为不可约因式的乘积,例如$P(x)=(x-a)(x^2+bx+c)$。 2. 根据部分分式分解定理,设$\frac{Q(x)}{P(x)} = \frac{A_1}{x-a} + \frac{A_2}{x^2+bx+c} + \cdots$,其中$A_i$为待定系数。 3. 通过通分后比较分子对应项的系数,建立线性方程组求解$A_i$。

带余除法

- 适用于分母为多项式幂次的情况,例如$Q(x)/P(x)^k$。通过多项式除法将$Q(x)$表示为$Q(x)=a_kP(x)^k + R(x)$,其中$R(x)$为余式且次数小于$P(x)$,再对余式进行部分分式分解。

辗转相除法(欧几里得算法)

- 用于分解分母为两个多项式乘积的情况,通过反复除法找到最大公因式,再分别对因式进行部分分式分解。

二、特殊情形处理

分母含二次不可约因式

- 对于形如$\frac{Q(x)}{(x^2+bx+c)}$的因式,设其部分分式为$\frac{Ax+B}{x^2+bx+c}$,通过代入特定值(如根或共轭复数)确定系数。

分母含重根

- 若分母有重根(如$(x-a)^n$),部分分式形式为$\frac{A_1}{x-a} + \frac{A_2}{(x-a)^2} + \cdots + \frac{A_n}{(x-a)^n}$,需通过代入导数信息简化计算。

三、注意事项

多项式互素性:

若分母多项式互素,则分解唯一。

计算优化:部分特殊分式(如分母为二次不可约因式)可通过代入根或共轭复数快速确定系数,减少方程组求解的复杂度。

四、示例

分解$\frac{3x+2}{(x-1)(x^2+4)}$:

1. 设$\frac{3x+2}{(x-1)(x^2+4)} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx+C}{x^2+4}$;

2. 通分后比较系数,建立方程组:

$$A(x^2+4) + (Bx+C)(x-1) = 3x+2$$

通过代入$x=1$得$5A=5$,解得$A=1$;

比较$x^2$系数得$B=0$,再比较常数项得$3A-C=2$,解得$C=1$;

3. 最终分解为$\frac{1}{x-1} + \frac{1}{x^2+4}$。

通过以上方法,可将任意既约有理真分式分解为部分分式之和,为后续积分计算奠定基础。