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Integral indefinida.

Se puede hacer la integral indefinida de

$$\frac{1}{(ax^2+bx+c)^n}, a, b, c \in \mathbb{R}$$

rápidamente, sin tener que recurrir a esos horribles recursión relaciones:

$$\eqalign{\int \dfrac1{(ax^2+bx+c)^n}dx&=\dfrac{2ax+b}{(n-1)(4ac-b^2)(ax^2+bx+c)^{n-1}} \\&+\dfrac{(2n-3)2a}{(n-1)(4ac-b^2)} \int\dfrac1{(ax^2+bx+c)^{n-1}}dx+C.}$$

o sin el uso de trucos tales como la escritura de $ax^2+bx+c$ $x^2+1$ o algo así?

Hardy (P. 11-12) , reclama que podemos escribir el denominador como $[(x-\alpha)(x-\alpha^*)]^n$ y, a continuación, volver a escribir $\frac{1}{(ax^2+bx+c)^n}$ a través de fracciones parciales e integrar un montón de $\frac{1}{(x-\alpha)^j}$ $\frac{1}{(x-\alpha^*)^j}$ términos, pero no se termina con la materia que es necesariamente compleja, similar a este.

Creo que se supone que se debe terminar con algo como esto:

enter image description here

que sólo da los números reales, pero yo no estoy :( Además de la respuesta que obtendrá al utilizar la recursión relaciones involucra $\arctan$, lo que no es, obviamente, aquí :(

Así:

¿Cuál es la integral de

$$\frac{1}{(ax^2+bx+c)^n} = \frac{1}{(x-\alpha)^n(x-\alpha^*)^n}, a, b, c \in \mathbb{R}$$

2voto

Graham Hesketh Puntos 4746

Yo estaba un poco confundido acerca de lo que hizo y no quiero involucrar, pero en mi opinión la forma más sencilla de hacer esto es mediante la diferenciación.

Tenga en cuenta que: $${\frac { \left( -1 \right) ^{n-1} }{ \left( n-1 \right) !}}{\frac {\partial }{\partial c^{n-1}}}\frac{1}{ a{x}^{2}+bx+c } = \frac{1}{ \left ({x}^{2}+bx+c \right)^n} $$ y que: $$\int \! \frac{1}{ a{x}^{2}+bx+c }{dx}=2\,\arctan \left( { \frac {2\,ax+b}{\sqrt {4\,ca-{b}^{2}}}} \right) {\frac {1}{\sqrt {4\,c a-{b}^{2}}}}$$ por lo tanto: $$\int \! \frac{1}{ \left ({x}^{2}+bx+c \right)^n}{dx}= {\frac { \left( -1 \right) ^{n-1} }{ \left( n-1 \right) !}}{\frac {\partial }{\partial c^{n-1}}} \left( 2\,\arctan \left( {\frac {2\,ax+b}{\sqrt {4\,ca-{b}^{2}}}} \right) {\frac {1}{\sqrt {4\,ca-{b}^{2}}}} \right) $$

Usted puede utilizar la generalizada Leibniz formula para obtener un polinomio además de un arctan parte, a pesar de que como lo que puedo decir que la arctan parte siempre va a estar ahí, ya que comienza la terrible recursividad.

Actualización

A la luz de la discusión en los comentarios de esta respuesta, tal vez algo como esto iba a ser mejor...

Tenga en cuenta que: $${\frac {1}{ \left( x-\mu \right) ^{1 +n} \left( x-\nu \right) ^{1+n}}}=\frac{1}{(n!)^2}{\frac {\partial ^{2\,n}}{\partial {\nu}^{n}\partial {\mu}^{n}}} \left( {\frac {1}{ \left( x-\mu \right) \left( x-\nu \right) }} \right) \etiqueta{1}$$ y: $${\frac {1}{ \left( x-\mu \right) \left( x-\nu \right) }}={\frac {1}{ \left( - \nu+\mu \right) \left( x-\mu \right) }}-{\frac {1}{ \left( x-\nu \right) \left( -\nu+\mu \right) }} \etiqueta{2}$$ por lo tanto: $$\begin{aligned} \int{\frac {1}{ \left( x-\mu \right) ^{1+n} \left( x-\nu \right) ^{1+n}}}{dx}= &\frac{1}{(n!)^2}{\frac {\partial ^{2\,n}}{\partial {\nu}^{n}\partial {\mu}^{n}}}\frac{1}{\left( -\nu+\mu \right)}\int \!{ \frac {1}{ \left( x-\mu \right) }}-{\frac {1}{ \left( x-\nu \right) }}{dx}\\ &\frac{1}{(n!)^2}{\frac {\partial ^{2\,n}}{\partial {\mu}^{n}\partial {\nu}^{n}}} \left({\frac {\ln \left( x-\mu \right) }{-\nu+\mu}} -{\frac {\ln \left( x-\nu \right) }{-\nu+\mu}}\right) \tag{3} \end{aligned} $$ A continuación, tenga en cuenta que, por ejemplo: $$\frac{1}{(n!)^2}{\frac {\partial ^{2\,n}}{\partial {\mu}^{n}\partial {\nu}^{n}}}\frac {\ln \left( x-\mu \right) }{-\nu+\mu}=\frac{1}{n!}{\frac {\partial }{\partial \mu^n}} \left( {\frac {\ln \left( x-\mu \right) }{ \left( - \nu+\mu \right) ^{1+n}}} \right) \etiqueta{4} $$ y que el segundo término de la derecha de $(3)$ es sólo $\mu \leftrightarrow\nu$. La generalizada Leibniz formulalos estados: $${\frac {d}{d \mu^n}}\left( f\left( \mu \right) g \left( \mu \right) \right) =\sum _{m=0}^{n}{n\elegir m} \left( {\frac {d^{m}}{d{\mu}^{m}}}f \left( \mu \right) \right)\left( {\frac {d^{n-m}}{d{\mu}^{n-m}}}g \left( \mu \right)\right) \etiqueta{5}$$ se aplican $(5)$ a el lado derecho de la $(4)$, utilizando el numerador como $f$ y el denominador como $g$. Tire de la orden cero término de la suma, ya que contiene la $\log$ plazo. Desplazarse hacia abajo con el índice de la suma restante por $1$, aplicando la derivada de una vez, para el registro de término en la suma. Para el resto de los derivados usted tendrá la utilidad de la fórmula: $${\frac {\partial ^{k}}{\partial {\mu}^{k}}} \frac{1}{\left( - \nu+\mu \right) ^{1+n}} ={\frac { \left( -1 \right) ^{k} \left( n+k \right) !}{n!\, \left( -\nu+\mu \right) ^{1+n +k}}} \etiqueta{6}$$ Después de algunos largos álgebra, el resultado final es:

$$\int{\frac {1}{ \left( x-\mu \right) ^{1+n} \left( x-\nu \right) ^{1+n}}}{dx}= \frac{\left( -1 \right) ^{n}}{\left( -\nu+\mu \right) ^{1+2\,n}} \left[{2\,n\choose n}\left(\ln \left( x-\mu\right)-\ln \left( x-\nu \right)\right)-P_n(\mu,\nu,x)\right] $$ donde: $$P_n(\mu\nu,x)=\sum _{m=1}^{n}\frac{{2\n-m\elegir n}}{m} \left[ \left( {\frac {-\nu+\mu} {-x+\mu}} \right) ^{m}- \left( {\frac {\nu\mu}{-x+\nu}} \right) ^{m} \right] \etiqueta{7}$$

El polinomio es de hipergeométrica generalizada formulario.

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