将 8x2−x4x2−1\frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} 表示为部分分式。 利用第 (i) 部分的结果,求 ∫8x2−x4x2−1 dx\int \frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} \, dx。

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完整解法

3(i)

1. Perform long division since the degree of the numerator is equal to the degree of the denominator.

8x2−x4x2−1=2(4x2−1)−x+24x2−1=2+2−x4x2−1\frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} = \frac{2(4x^2 - 1) - x + 2}{4x^2 - 1} = 2 + \frac{2 - x}{4x^2 - 1}

2. Factorise the denominator and set up the partial fraction decomposition.

2−x4x2−1=2−x(2x−1)(2x+1)\frac{2 - x}{4x^2 - 1} = \frac{2 - x}{(2x - 1)(2x + 1)}
Let 2−x(2x−1)(2x+1)=A2x−1+B2x+1\frac{2 - x}{(2x - 1)(2x + 1)} = \frac{A}{2x - 1} + \frac{B}{2x + 1}

3. Solve for the unknown constants $A$ and $B$.

2−x=A(2x+1)+B(2x−1)2 - x = A(2x + 1) + B(2x - 1)
Substitute x=12x = \frac{1}{2}:
2−12=A(2(12)+1)  ⟹  32=2A  ⟹  A=342 - \frac{1}{2} = A(2(\frac{1}{2}) + 1) \implies \frac{3}{2} = 2A \implies A = \frac{3}{4}
Substitute x=−12x = -\frac{1}{2}:
2−(−12)=B(2(−12)−1)  ⟹  52=−2B  ⟹  B=−542 - (-\frac{1}{2}) = B(2(-\frac{1}{2}) - 1) \implies \frac{5}{2} = -2B \implies B = -\frac{5}{4}

4. Write the final expression in partial fractions.

8x2−x4x2−1=2+34(2x−1)−54(2x+1)\frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} = 2 + \frac{3}{4(2x - 1)} - \frac{5}{4(2x + 1)}

答案

2+34(2x−1)−54(2x+1)2 + \frac{3}{4(2x - 1)} - \frac{5}{4(2x + 1)}

3(ii)

1. Substitute the partial fraction decomposition from part (i)

From part (i), we have:
8x2−x4x2−1=2+34(2x−1)−54(2x+1)\frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} = 2 + \frac{3}{4(2x - 1)} - \frac{5}{4(2x + 1)}

∫8x2−x4x2−1 dx=∫(2+34(2x−1)−54(2x+1)) dx\int \frac{8x^2 - x}{4x^2 - 1} \, dx = \int \left( 2 + \frac{3}{4(2x - 1)} - \frac{5}{4(2x + 1)} \right) \, dx

2. Integrate each term using the standard integral for linear denominators

=2x+34(ln⁡(2x−1)2)−54(ln⁡(2x+1)2)+c= 2x + \frac{3}{4} \left( \frac{\ln(2x - 1)}{2} \right) - \frac{5}{4} \left( \frac{\ln(2x + 1)}{2} \right) + c
=2x+38ln⁡(2x−1)−58ln⁡(2x+1)+c= 2x + \frac{3}{8} \ln(2x - 1) - \frac{5}{8} \ln(2x + 1) + c

答案

2x+38ln⁡(2x−1)−58ln⁡(2x+1)+c2x + \frac{3}{8} \ln(2x - 1) - \frac{5}{8} \ln(2x + 1) + c

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