将 x4−1x^4 - 1 彻底因式分解。 已知 x4x4−1=a+bx4−1\frac{x^4}{x^4 - 1} = a + \frac{b}{x^4 - 1},求 aa 和 bb 的值。 将 x4x4−1\frac{x^4}{x^4 - 1} 表示为部分分式。

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完整解法

13(i)

1. Apply the difference of two squares identity to $x^4 - 1$

x4−1=(x2)2−12x^4 - 1 = (x^2)^2 - 1^2
=(x2−1)(x2+1)= (x^2 - 1)(x^2 + 1)

2. Factorise $x^2 - 1$ completely

x2−1=(x−1)(x+1)x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1)
∴x4−1=(x−1)(x+1)(x2+1)\therefore x^4 - 1 = (x - 1)(x + 1)(x^2 + 1)

答案

(x−1)(x+1)(x2+1)(x - 1)(x + 1)(x^2 + 1)

13(ii)

1. Rewrite the numerator to match the denominator for easy division

x4x4−1=x4−1+1x4−1\frac{x^4}{x^4 - 1} = \frac{x^4 - 1 + 1}{x^4 - 1}

2. Separate the fraction and simplify to find $a$ and $b$

x4−1+1x4−1=x4−1x4−1+1x4−1=1+1x4−1\frac{x^4 - 1 + 1}{x^4 - 1} = \frac{x^4 - 1}{x^4 - 1} + \frac{1}{x^4 - 1} = 1 + \frac{1}{x^4 - 1}
Comparing with a+bx4−1a + \frac{b}{x^4 - 1}, we get a=1a = 1 and b=1b = 1.

答案

a=1a = 1, b=1b = 1

13(iii)

1. Use the results from parts (i) and (ii) to set up the partial fraction decomposition

From (i), x4−1=(x−1)(x+1)(x2+1)x^4 - 1 = (x - 1)(x + 1)(x^2 + 1).
From (ii), x4x4−1=1+1x4−1\frac{x^4}{x^4 - 1} = 1 + \frac{1}{x^4 - 1}.
We decompose 1x4−1\frac{1}{x^4 - 1}:
1(x−1)(x+1)(x2+1)=Ax−1+Bx+1+Cx+Dx2+1\frac{1}{(x - 1)(x + 1)(x^2 + 1)} = \frac{A}{x - 1} + \frac{B}{x + 1} + \frac{Cx + D}{x^2 + 1}

2. Form the basic equation to solve for constants

1=A(x+1)(x2+1)+B(x−1)(x2+1)+(Cx+D)(x−1)(x+1)1 = A(x + 1)(x^2 + 1) + B(x - 1)(x^2 + 1) + (Cx + D)(x - 1)(x + 1)

3. Solve for A and B by substituting suitable values of x

Let x=1x = 1:
1=A(2)(2)  ⟹  4A=1  ⟹  A=141 = A(2)(2) \implies 4A = 1 \implies A = \frac{1}{4}

Let x=−1x = -1:
1=B(−2)(2)  ⟹  −4B=1  ⟹  B=−141 = B(-2)(2) \implies -4B = 1 \implies B = -\frac{1}{4}

4. Solve for C and D by comparing coefficients or substituting other values

Let x=0x = 0:
1=A(1)(1)+B(−1)(1)+D(−1)1=14+14−D1=12−D  ⟹  D=−121 = A(1)(1) + B(-1)(1) + D(-1) 1 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} - D 1 = \frac{1}{2} - D \implies D = -\frac{1}{2}

Compare coefficients of x3x^3:
0=A+B+C0=14−14+C  ⟹  C=00 = A + B + C 0 = \frac{1}{4} - \frac{1}{4} + C \implies C = 0

5. Write the final expression in partial fractions

x4x4−1=1+14(x−1)−14(x+1)−12(x2+1)\frac{x^4}{x^4 - 1} = 1 + \frac{1}{4(x-1)} - \frac{1}{4(x+1)} - \frac{1}{2(x^2+1)}

答案

1+14(x−1)−14(x+1)−12(x2+1)1 + \frac{1}{4(x-1)} - \frac{1}{4(x+1)} - \frac{1}{2(x^2+1)}

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