将 2x+15(3+x)(3−2x)\frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} 表示为部分分式。 由此求 ∫012x+15(3+x)(3−2x) dx\int_{0}^{1} \frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} \, dx 的值。

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完整解法

1(i)

1. Set up the partial fraction decomposition with unknown constants

Let 2x+15(3+x)(3−2x)=A3+x+B3−2x\frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} = \frac{A}{3+x} + \frac{B}{3-2x}

2. Form the basic algebraic equation

Multiply throughout by (3+x)(3−2x)(3+x)(3-2x):
2x+15=A(3−2x)+B(3+x)2x+15 = A(3-2x) + B(3+x)

3. Solve for the constants by substituting suitable values of $x$

Substitute x=−3x = -3:
2(−3)+15=A(3−2(−3))2(-3) + 15 = A(3 - 2(-3))
9=9A  ⟹  A=19 = 9A \implies A = 1

Substitute x=32x = \frac{3}{2}:
2(32)+15=B(3+32)2\left(\frac{3}{2}\right) + 15 = B\left(3 + \frac{3}{2}\right)
18=92B  ⟹  B=418 = \frac{9}{2}B \implies B = 4

4. State the final partial fraction expression

2x+15(3+x)(3−2x)=13+x+43−2x\frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} = \frac{1}{3+x} + \frac{4}{3-2x}

答案

13+x+43−2x\frac{1}{3+x} + \frac{4}{3-2x}

1(ii)

1. Express the integrand in partial fractions (from part i)

Let 2x+15(3+x)(3−2x)=A3+x+B3−2x\frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} = \frac{A}{3+x} + \frac{B}{3-2x}.
2x+15=A(3−2x)+B(3+x)2x+15 = A(3-2x) + B(3+x)
Substitute x=−3x = -3: 9=9A  ⟹  A=19 = 9A \implies A = 1
Substitute x=1.5x = 1.5: 18=4.5B  ⟹  B=418 = 4.5B \implies B = 4
2x+15(3+x)(3−2x)=13+x+43−2x\frac{2x+15}{(3+x)(3-2x)} = \frac{1}{3+x} + \frac{4}{3-2x}

2. Integrate the partial fractions

∫01(13+x+43−2x) dx\int_{0}^{1} \left( \frac{1}{3+x} + \frac{4}{3-2x} \right) \, dx
=[ln⁡(3+x)+4−2ln⁡(3−2x)]01= \left[ \ln(3+x) + \frac{4}{-2}\ln(3-2x) \right]_{0}^{1}
=[ln⁡(3+x)−2ln⁡(3−2x)]01= \left[ \ln(3+x) - 2\ln(3-2x) \right]_{0}^{1}

3. Evaluate the definite integral by substituting the limits

Substitute x=1x = 1:
ln⁡(3+1)−2ln⁡(3−2(1))=ln⁡4−2ln⁡1=ln⁡4\ln(3+1) - 2\ln(3-2(1)) = \ln 4 - 2\ln 1 = \ln 4

Substitute x=0x = 0:
ln⁡(3+0)−2ln⁡(3−2(0))=ln⁡3−2ln⁡3=−ln⁡3\ln(3+0) - 2\ln(3-2(0)) = \ln 3 - 2\ln 3 = -\ln 3

Evaluate:
(ln⁡4)−(−ln⁡3)=ln⁡4+ln⁡3(\ln 4) - (-\ln 3) = \ln 4 + \ln 3

4. Simplify the final answer using laws of logarithms

ln⁡4+ln⁡3=ln⁡(4×3)=ln⁡12\ln 4 + \ln 3 = \ln(4 \times 3) = \ln 12

答案

ln⁡12\ln 12

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