Integration rationaler Funktionen

Mittels Partialbruchzerlegung kann man die Integration rationaler Funktionen
P(x)q(x) \dfrac{P(x)}{q(x)} , P,q P, q Polynome mit reellen Koeffizienten
auf folgende Integrale zurückführen:
∫xk  dx \int\limits x^k \; dx ∫1(x−a)k+1  dx \int\limits \dfrac{1}{(x-a)^{k+1}} \; dx und ∫Ax+B(x2+2bx+c)k+1  dx \int\limits \dfrac{Ax+B}{(x^2+2bx+c)^{k+1}} \; dx,
wobei k∈N k \in \N ; a,b,c,A,B∈R a,b,c,A,B \in \R und c−b2>0 c-b^2 > 0.
∫xk  dx=xk+1k+1 \int\limits x^k \; dx =\dfrac {x^{k+1}}{k+1} ist ein bekanntes Grundintegral.
Das Integral ∫1(x−a)k+1  dx \int\limits \dfrac{1}{(x-a)^{k+1}} \; dx wird mittels Substitution z=x−az=x-a auf Grundintegrale zurückgeführt und man erhält: ∫1(x−a)k+1={ln⁡∣x−a∣falls k=0−1k⋅1(x−a)kfalls k>0 \int\limits \dfrac{1}{(x-a)^{k+1}} = \begin{cases} \ln |x-a|&\text{falls } k=0 \\ -\dfrac{1}{k} \cdot \dfrac{1}{(x-a)^k}&\text{falls }k\gt 0 \end{cases}
Zur Integration von ∫Ax+B(x2+2bx+c)⎵=p(x)k+1  dx \int\limits \dfrac{Ax+B}{{\underbrace{(x^2+2bx+c)}_{=p(x)}}^{k+1}} \; dx nehmen wir einige Umformungen vor: Ax+B=Ax+Ab+B−Ab Ax+B = Ax+Ab+B-Ab =A2⋅(2x+2b)+B−Ab = \dfrac{A}{2}\cdot(2x+2b)+B-Ab =A2⋅p′(x)+B−Ab = \dfrac{A}{2}\cdot p'(x) + B -Ab , also
∫Ax+Bp(x)k+1  dx \int\limits \dfrac{Ax+B}{p(x)^{k+1}} \; dx =A2∫p′(x)p(x)k+1  dx+(B−Ab)∫1p(x)k+1  dx = \dfrac{A}{2} \int\limits \dfrac{p'(x)}{p(x)^{k+1}} \; dx + (B-Ab) \int\limits \dfrac{1}{p(x)^{k+1}} \; dx
Nun gilt
∫p′(x)p(x)k+1  dx={ln⁡∣p(x)∣falls k=0−1k⋅1p(x)kfalls k>0 \int\limits \dfrac{p'(x)}{p(x)^{k+1}} \; dx = \begin{cases} \ln |p(x)|&\text{falls }k = 0 \\ -\dfrac{1}{k} \cdot \dfrac{1}{p(x)^k}&\text{falls }k \gt 0 \end{cases} ,
womit wir nur noch das Integral ∫1p(x)k+1  dx\int\limits \dfrac{1}{p(x)^{k+1}} \; dx bestimmen müssen.
p(x)=x2+2bx+c p(x) = x^2 + 2bx + c =x2+2bx+b2+c−b2⎵=:γ>0 = x^2 + 2bx + b^2 + \underbrace{c -b^2}_{=: \gamma > 0} =(x+b)2+γ = (x+b)^2 + \gamma =γ⋅((x+bγ)2+1) = \gamma \cdot \left( \left(\dfrac{x+b}{\sqrt{\gamma}} \right)^2 + 1 \right) und γ>0\gamma > 0. Daher mit der Substitution t=x+bγ t = \dfrac{x+b}{\sqrt{\gamma}} und dt=1γ  dxdt = \dfrac{1}{\sqrt{\gamma}} \; dx
∫1p(x)k+1  dx \int\limits \dfrac{1}{p(x)^{k+1}} \; dx =∫1γk+1(t2+1)k+1γ  dt=\int\limits \dfrac{1}{\gamma^{k+1}(t^2+1)^{k+1}}\sqrt\gamma \;dt =γγk+1⋅∫1(t2+1)k+1  dt = \dfrac{\sqrt{\gamma}}{\gamma^{k+1}} \cdot \int\limits \dfrac{1}{(t^2+1)^{k+1}} \; dt .
Wir setzen
Ik(t):=∫1(t2+1)k  dt I_{k}(t) := \int\limits \dfrac{1}{(t^2+1)^{k}} \; dt ,
Nach Satz 5315A ist I1(t)=arctan⁡tI_1(t) = \arctan t. Für k≥1k \geq 1 ergibt sich mittels partieller Integration: Ik=∫  1  ⎵f´⋅1(t2+1)k⎵g  dt I_k = \int\limits \underbrace{\;1\;}_{f´} \cdot \underbrace{\dfrac{1}{(t^2+1)^k}}_{g} \; dt =t(t2+1)k−∫t⋅2t(−k)(t2+1)k+1  dt = \dfrac{t}{(t^2+1)^k} - \int\limits \dfrac{t \cdot 2t(-k)}{(t^2+1)^{k+1}} \; dt =t(t2+1)k+2k∫t2+1−1(t2+1)k+1  dt = \dfrac{t}{(t^2+1)^k} + 2k \int\limits \dfrac{t^2+1-1}{(t^2+1)^{k+1}} \; dt =t(t2+1)k+2k∫1(t2+1)k−1(t2+1)k+1  dt = \dfrac{t}{(t^2+1)^k} + 2k \int\limits \dfrac{1}{(t^2+1)^k} - \dfrac{1}{(t^2+1)^{k+1}} \; dt =t(t2+1)k+2k(Ik(t)+Ik+1(t)) = \dfrac{t}{(t^2+1)^k} + 2k (I_k(t) + I_{k+1}(t)) Also
Ik+1=12k⋅t(t2+1)k+(1−12k)Ik(t) I_{k+1} = \dfrac{1}{2k} \cdot \dfrac{t}{(t^2+1)^k} + \left(1-\dfrac{1}{2k}\right) I_k(t) für k≥1 k \geq 1

Beispiel

∫1(x2+4x+5)2 dx\int\limits \dfrac 1 {(x^2+4x+5)^2}\, dx mit p(x)=x2+4x+5p(x) = x^2+4x+5 =(x+2)2+1 = (x+2)^2 +1 Substitution t=x+2t = x+2; (dt=dxdt=dx, γ=1\gamma = 1, b=2b = 2). ∫1p(x)2  dx=I2(t) \int\limits \dfrac{1}{p(x)^2} \; dx = I_2(t) =12tt2+1+12arctan⁡t = \dfrac{1}{2} \dfrac{t}{t^2+1} + \dfrac{1}{2} \arctan t =12[x+2x2+4x+5+arctan⁡(x+2)] = \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{x+2}{x^2+4x+5} + \arctan (x+2) \right]
 
 

Man darf nicht das, was uns unwahrscheinlich und unnatürlich erscheint, mit dem verwechseln, was absolut unmöglich ist.

Carl Friedrich Gauß

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