¿Cómo resolver rápidamente la ecuación de fracciones parciales?

Question

A menudo me estoy tratando con un integrante de vamos a decir:

$$\int\frac{dt}{(t-2)(t+3)}$$

o

$$\int \frac{dt}{t(t-4)}$$

o para hacer de este un caso más general en el que estoy interesado:

$$\int \frac{dt}{(t+\alpha)(t+\beta)} \quad \quad \alpha, \beta \in \mathbb{R}$$

Básicamente cualquier integral con descomponer el polinomio de segundo grado en el denominador. Obviamente, esto conduce a la suma de dos logaritmos naturales.

Yo lo que hago es escribir fracciones parciales de la ecuación y, a continuación, resolver el sistema de ecuaciones lineales (2 variables):

$$\frac{1}{(t+\alpha)(t+\beta)} = \frac{A}{t+\alpha} + \frac{B}{t+\beta}$$

Después de resolver este termino con algunos $A, B$ coeficientes y me puede resolver la integral.

Hay manera más rápida de encontrar $A, B$ ? Algún algoritmo o cualquier cosa que yo pueda seguir y siempre trabajo para tal caso? Seguramente, la solución de que no toma mucho tiempo, pero me pregunto si se podría hacer incluso más rápido.

(pregunta extra: ¿qué pasa si hay más variables, como 3 variables?)

Les agradecería mucho sus comentarios ya que me podría ayudar a salvar incontables número de minutos en el futuro.

Answer 1

Si la fracción es en forma de $$ \frac {1}{(t-\alpha_1)(t-\alpha_2)(t-\alpha_3)...(t-\alpha_k)}$$ where the $\alfa s$ son diferentes, no hay una manera fácil de encontrar la fracción parcial de la descomposición.

Deje $t=\alpha_i$ y cubierta de $(t-\alpha_i)$ mientras que la evaluación de la anterior fracción para obtener su $A_i$

Por ejemplo, $$ \frac{1}{(t-1)(t-3)(t+4)} = \frac {A_1}{(t-1)} + \frac{ A_2}{(t-3)} +\frac { A_3}{(t+4)}$$ Donde $$A_1 = \frac {1}{(1-3)(1+4)}=\frac{-1}{10}$$ $$A_2 = \frac {1}{(3-1)(3+4)} = \frac{1}{14}$$

$$A_3=\frac {1}{(-4-1)(-4-3)}=\frac{1}{35}$$

Answer 2

A menos que me la incomprensión de la pregunta, por "la raíz de rotación" (cuando $\beta \neq \alpha$):

$$\frac{1}{(t + \alpha)(t + \beta)} = \frac{A}{t + \alpha} + \frac{B}{t + \beta}$$

$$1 = A(t + \beta) + B(t + \alpha)$$

La evaluación de $-\beta$ para $t$:

$$1 = B(\alpha - \beta)$$

$$B = \frac{1}{\alpha - \beta}$$

Del mismo modo, para $A$, sub en $-\alpha$:

$$1 = A(\beta - \alpha)$$

$$A = \frac{1}{\beta - \alpha}$$

Answer 3

He aquí su respuesta para general $n$.

$\dfrac1{\prod_{k=1}^n (x-a_k)} =\sum_{k=1}^n \dfrac{b_k}{x-a_k} $.

Por lo tanto $1 =\sum_{k=1}^n \dfrac{b_k\prod_{j=1}^n (x-a_j)}{x-a_k} =\sum_{k=1}^n b_k\prod_{j=1, j\ne k}^n (x-a_j) $.

Configuración $x = a_i$ para cada una de las $i$, todos los términos excepto el uno con $k=i$ tienen el factor de $a_i-a_i$, así $1 = b_i\prod_{j=1, j\ne i}^n (a_i-a_j) $ así que $b_i =\dfrac1{\prod_{j=1, j\ne i}^n (a_i-a_j)} $.

Para $n=2$, $b_1 =\dfrac1{a_1-a_2} $, $b_2 =\dfrac1{a_2-a_1} $.

Para $n=3$, $b_1 =\dfrac1{(a_1-a_2)(a_1-a_3)} $, $b_2 =\dfrac1{(a_2-a_1)(a_2-a_3)} $, $b_3 =\dfrac1{(a_3-a_1)(a_3-a_2)} $.

Answer 4

Deje $n$,$m$ ser números enteros tales que a$n\ge 2$ e $n-1 \ge m \ge 0$ .Entonces, si las raíces del polinomio en cuestión son todos distintos de la siguiente fórmula se tiene: \begin{equation} \frac{x^m}{\prod\limits_{j=1}^n (x-b_j)} = \sum\limits_{i=1}^n \frac{1}{x-b_i} \cdot \frac{b_i^m}{\prod\limits_{j=1,j\neq i}^n (b_i-b_j)} \end{equation} Ahora, si las raíces no son distintos a continuación, se vuelve más complicado, pero incluso en el principio está claro que podemos generar una fórmula similar al diferenciar ambos lados con respecto a la raíz de un número determinado de veces. Por ejemplo, si $n=2$ e $m_1 \ge 1$, $m_2 \ge 1$ e $m\ge 0$ la fórmula siguiente es cierto: \begin{eqnarray} \frac{x^m}{(x-b_1)^{m_1} (x-b_2)^{m_2}}=\sum\limits_{j=0}^m \left( \sum\limits_{l_1=1}^{m_1} \binom{m_1+m_2-1-l_1}{m_2-1}(-1)^{m_2} b_1^j \frac{1_{l_1=1} \binom{m-1}{j-1} + 1_{l_1>1} \binom{m}{j}}{(x-b_1)^{l_1-m+j} (-b_1+b_2)^{m_1+m_2-l_1}}+ \sum\limits_{l_1=1}^{m_2} \binom{m_1+m_2-1-l_1}{m_1-1}(-1)^{m_1} b_2^j \frac{1_{l_1=1} \binom{m-1}{j-1} + 1_{l_1>1} \binom{m}{j}}{(x-b_2)^{l_1-m+j} (-b_2+b_1)^{m_1+m_2-l_1}} \right) \end{eqnarray}

In[5732]:= ll = {}; x =.; b1 =.; b2 =.; m = RandomInteger[{0, 10}];
For[count = 1, count <= 100, count++,
  {m1, m2} = RandomInteger[{1, 5}, 2]; x =.; b1 =.; b2 =.;
  xx1 =
      Sum[ 
     Binomial[m1 + m2 - 1 - l1, m2 - 1] ((-1)^
       m2 b1^j If[l1 == 1, Binomial[m - 1, j - 1], 
        Binomial[m, j]])/((x - b1)^(l1 - m + j) (-b1 + b2)^(
       m1 + m2 - l1)), {l1, 1, m1}, {j, 0, m}] + 
    Sum[ Binomial[m1 + m2 - 1 - l1, m1 - 1] ((-1)^
       m1 b2^j If[l1 == 1, Binomial[m - 1, j - 1], 
        Binomial[m, j]])/((x - b2)^(l1 - m + j) (-b2 + b1)^(
       m1 + m2 - l1)), {l1, 1, m2}, {j, 0, m}];
  xx2 = x^m/((x - b1)^m1 (x - b2)^m2);
  ll = Join[ll, {Simplify[xx1 - xx2]}];
  ];
ll

Out[5734]= {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, \
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, \
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, \
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, \
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}

Sería interesante para derivar fórmulas similares en el caso de $n > 2$.