利用多项式长除法,计算 4x3+5x2+x−14x^3 + 5x^2 + x - 1 除以 x2(x+1)x^2 (x+1)。 由此,将 4x3+5x2+x−1x2(x+1)\dfrac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^2 (x+1)} 分解为部分分式。 由此,求出 ∫4x3+5x2+x−1x2(x+1) dx\displaystyle \int \frac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^2 (x+1)}\,dx。

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完整解法

12(a)

1. Expand the divisor

Divisor =x2(x+1)=x3+x2= x^2(x+1) = x^3 + x^2

2. Perform long division

x3+x24x3+5x2+x−14x3+4x2x2+x−1\begin{array}{r|l} x^3 + x^2 & 4x^3 + 5x^2 + x - 1 \\ & 4x^3 + 4x^2 \\ \hline & x^2 + x - 1 \end{array}

3. Write the result in quotient and remainder form

4x3+5x2+x−1x3+x2=4+x2+x−1x3+x2\dfrac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^3 + x^2} = 4 + \dfrac{x^2 + x - 1}{x^3 + x^2}

答案

4+x2+x−1x3+x24 + \dfrac{x^2 + x - 1}{x^3 + x^2}

12(c)

1. Find the partial fraction decomposition from parts (a) and (b)

From part (a), dividing 4x3+5x2+x−14x^3 + 5x^2 + x - 1 by x3+x2x^3 + x^2 gives a quotient of 44 and a remainder of x2+x−1x^2 + x - 1.
So, 4x3+5x2+x−1x2(x+1)=4+x2+x−1x2(x+1)\frac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^2(x+1)} = 4 + \frac{x^2 + x - 1}{x^2(x+1)}.
From part (b), let x2+x−1x2(x+1)=Ax+Bx2+Cx+1\frac{x^2 + x - 1}{x^2(x+1)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x^2} + \frac{C}{x+1}.
x2+x−1=Ax(x+1)+B(x+1)+Cx2x^2 + x - 1 = Ax(x+1) + B(x+1) + Cx^2
Substituting x=0x = 0 gives B=−1B = -1.
Substituting x=−1x = -1 gives C=−1C = -1.
Comparing coefficients of x2x^2 gives 1=A+C  ⟹  A=21 = A + C \implies A = 2.
Thus, 4x3+5x2+x−1x2(x+1)=4+2x−1x2−1x+1\frac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^2(x+1)} = 4 + \frac{2}{x} - \frac{1}{x^2} - \frac{1}{x+1}.

2. Rewrite the integral using the partial fractions

∫4x3+5x2+x−1x2(x+1) dx=∫(4+2x−x−2−1x+1) dx\displaystyle \int \frac{4x^3 + 5x^2 + x - 1}{x^2 (x+1)}\,dx = \int \left( 4 + \frac{2}{x} - x^{-2} - \frac{1}{x+1} \right)\,dx

3. Integrate each term to find the final answer

=4x+2ln⁡x−x−1−1−ln⁡(x+1)+c= 4x + 2\ln x - \frac{x^{-1}}{-1} - \ln(x+1) + c
=4x+2ln⁡x+1x−ln⁡(x+1)+c= 4x + 2\ln x + \frac{1}{x} - \ln(x+1) + c

答案

4x+2ln⁡x+1x−ln⁡(x+1)+c4x + 2\ln x + \frac{1}{x} - \ln(x+1) + c

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