Analysis Beispiele

$\frac{1}{X^{3} + X}$

Schritt 1

Schreibe $\frac{1}{X^{3} + X}$ als Funktion.

$f (X) = \frac{1}{X^{3} + X}$

Schritt 2

Die Funktion $F (X)$ kann bestimmt werden, indem das unbestimmte Integral der Ableitung $f (X)$ ermittelt wird.

$F (X) = \int f (X) d X$

Schritt 3

Stelle das Integral auf, um zu lösen.

$F (X) = \int \frac{1}{X^{3} + X} d X$

Schritt 4

Schreibe den Bruch mithilfe der Teilbruchzerlegung.

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Schritt 4.1

Zerlege den Bruch und multipliziere mit dem gemeinsamen Nenner durch.

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Schritt 4.1.1

Faktorisiere $X$ aus $X^{3} + X$ heraus.

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Schritt 4.1.1.1

Faktorisiere $X$ aus $X^{3}$ heraus.

$\frac{1}{X \cdot X^{2} + X}$

Schritt 4.1.1.2

Potenziere $X$ mit $1$ .

$\frac{1}{X \cdot X^{2} + X^{1}}$

Schritt 4.1.1.3

Faktorisiere $X$ aus $X^{1}$ heraus.

$\frac{1}{X \cdot X^{2} + X \cdot 1}$

Schritt 4.1.1.4

Faktorisiere $X$ aus $X \cdot X^{2} + X \cdot 1$ heraus.

$\frac{1}{X (X^{2} + 1)}$

Schritt 4.1.2

Bilde für jeden Faktor im Nenner einen neuen Bruch mit dem Faktor als Nenner und einem unbekannten Wert als Zähler. Da der Faktor von zweiter Ordnung ist, sind $2$ Terme im Zähler erforderlich. Die Anzahl der erforderlichen Terme im Zähler ist immer gleich der Ordnung des Faktors im Nenner.

$\frac{A}{X} + \frac{B X + C}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.3

Multipliziere jeden Bruch in der Gleichung mit dem Nenner des ursprünglichen Ausdrucks. In diesem Fall ist der Nenner gleich $X (X^{2} + 1)$ .

$\frac{1 (X (X^{2} + 1))}{X (X^{2} + 1)} = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.4

Kürze den gemeinsamen Faktor von $X$ .

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Schritt 4.1.4.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{1 (X (X^{2} + 1))}{X (X^{2} + 1)} = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.4.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{1 (X^{2} + 1)}{X^{2} + 1} = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $X^{2} + 1$ .

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Schritt 4.1.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{1 (X^{2} + 1)}{X^{2} + 1} = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.5.2

Forme den Ausdruck um.

$1 = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 4.1.6.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $X$ .

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Schritt 4.1.6.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$1 = \frac{A (X (X^{2} + 1))}{X} + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6.1.2

Dividiere $A (X^{2} + 1)$ durch $1$ .

$1 = A (X^{2} + 1) + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6.2

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = A X^{2} + A \cdot 1 + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6.3

Mutltipliziere $A$ mit $1$ .

$1 = A X^{2} + A + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6.4

Kürze den gemeinsamen Faktor von $X^{2} + 1$ .

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Schritt 4.1.6.4.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$1 = A X^{2} + A + \frac{(B X + C) (X (X^{2} + 1))}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.1.6.4.2

Dividiere $(B X + C) (X)$ durch $1$ .

$1 = A X^{2} + A + (B X + C) (X)$

Schritt 4.1.6.5

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = A X^{2} + A + B X \cdot X + C X$

Schritt 4.1.6.6

Multipliziere $X$ mit $X$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 4.1.6.6.1

Bewege $X$ .

$1 = A X^{2} + A + B (X \cdot X) + C X$

Schritt 4.1.6.6.2

Mutltipliziere $X$ mit $X$ .

$1 = A X^{2} + A + B X^{2} + C X$

Schritt 4.1.7

Bewege $A$ .

$1 = A X^{2} + B X^{2} + C X + A$

Schritt 4.2

Schreibe Gleichungen für die Teilbruchvariablen und benutze sie, um ein Gleichungssystem aufzustellen.

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Schritt 4.2.1

Erzeuge eine Gleichung für die Variablen der Partialbrüche durch Gleichsetzen der Koeffizienten von $X^{2}$ jeder Seite der Gleichung. Damit die Gleichung gilt, müssen äquivalente Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$0 = A + B$

Schritt 4.2.2

Erzeuge eine Gleichung für die Variablen der Partialbrüche durch Gleichsetzen der Koeffizienten von $X$ jeder Seite der Gleichung. Damit die Gleichung gilt, müssen äquivalente Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$0 = C$

Schritt 4.2.3

Erzeuge eine Gleichung für die Variablen der Partialbrüche durch Gleichsetzen der Koeffizienten der Terme, die $X$ nicht enthalten. Damit die Gleichung gilt, müssen die äquivalenten Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$1 = A$

Schritt 4.2.4

Stelle das Gleichungssystem auf, um die Koeffizienten der Partialbrüche zu ermitteln.

$0 = A + B$

$0 = C$

$1 = A$

$0 = A + B$

$0 = C$

$1 = A$

Schritt 4.3

Löse das Gleichungssystem.

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Schritt 4.3.1

Schreibe die Gleichung als $C = 0$ um.

$C = 0$

$0 = A + B$

$1 = A$

Schritt 4.3.2

Schreibe die Gleichung als $A = 1$ um.

$A = 1$

$C = 0$

$0 = A + B$

Schritt 4.3.3

Ersetze alle Vorkommen von $A$ durch $1$ in jeder Gleichung.

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Schritt 4.3.3.1

Ersetze alle $A$ in $0 = A + B$ durch $1$ .

$0 = (1) + B$

$A = 1$

$C = 0$

Schritt 4.3.3.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 4.3.3.2.1

Entferne die Klammern.

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

Schritt 4.3.4

Löse in $0 = 1 + B$ nach $B$ auf.

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Schritt 4.3.4.1

Schreibe die Gleichung als $1 + B = 0$ um.

$1 + B = 0$

$A = 1$

$C = 0$

Schritt 4.3.4.2

Subtrahiere $1$ von beiden Seiten der Gleichung.

$B = - 1$

$A = 1$

$C = 0$

$B = - 1$

$A = 1$

$C = 0$

Schritt 4.3.5

Löse das Gleichungssystem.

$B = - 1 A = 1 C = 0$

Schritt 4.3.6

Liste alle Lösungen auf.

$B = - 1, A = 1, C = 0$

Schritt 4.4

Ersetze jeden Teilbruchkoeffizienten in $\frac{A}{X} + \frac{B X + C}{X^{2} + 1}$ durch die Werte, die für $A$ , $B$ und $C$ ermittelt wurden.

$\frac{1}{X} + \frac{- 1 X + 0}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.5

Vereinfache.

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Schritt 4.5.1

Entferne die Klammern.

$\frac{1}{X} + \frac{(- 1) \cdot X + 0}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.5.2

Vereinfache den Zähler.

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Schritt 4.5.2.1

Schreibe $- 1 X$ als $- X$ um.

$\frac{1}{X} + \frac{- X + 0}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.5.2.2

Addiere $- X$ und $0$ .

$\frac{1}{X} + \frac{- X}{X^{2} + 1}$

Schritt 4.5.3

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$\int \frac{1}{X} - \frac{X}{X^{2} + 1} d X$

Schritt 5

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

$\int \frac{1}{X} d X + \int - \frac{X}{X^{2} + 1} d X$

Schritt 6

Das Integral von $\frac{1}{X}$ nach $X$ ist $\ln (| X |)$ .

$\ln (| X |) + C + \int - \frac{X}{X^{2} + 1} d X$

Schritt 7

Da $- 1$ konstant bezüglich $X$ ist, ziehe $- 1$ aus dem Integral.

$\ln (| X |) + C - \int \frac{X}{X^{2} + 1} d X$

Schritt 8

Sei $u = X^{2} + 1$ . Dann ist $d u = 2 X d X$ , folglich $\frac{1}{2} d u = X d X$ . Forme um unter Verwendung von $u$ und $d$ $u$ .

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Schritt 8.1

Es sei $u = X^{2} + 1$ . Ermittle $\frac{d u}{d X}$ .

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Schritt 8.1.1

Differenziere $X^{2} + 1$ .

$\frac{d}{d X} [X^{2} + 1]$

Schritt 8.1.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $X^{2} + 1$ nach $X$ $\frac{d}{d X} [X^{2}] + \frac{d}{d X} [1]$ .

$\frac{d}{d X} [X^{2}] + \frac{d}{d X} [1]$

Schritt 8.1.3

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d X} [X^{n}]$ gleich $n X^{n - 1}$ ist mit $n = 2$ .

$2 X + \frac{d}{d X} [1]$

Schritt 8.1.4

Da $1$ konstant bezüglich $X$ ist, ist die Ableitung von $1$ bezüglich $X$ gleich $0$ .

$2 X + 0$

Schritt 8.1.5

Addiere $2 X$ und $0$ .

$2 X$

Schritt 8.2

Schreibe die Aufgabe mithlfe von $u$ und $d u$ neu.

$\ln (| X |) + C - \int \frac{1}{u} \cdot \frac{1}{2} d u$

Schritt 9

Vereinfache.

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Schritt 9.1

Mutltipliziere $\frac{1}{u}$ mit $\frac{1}{2}$ .

$\ln (| X |) + C - \int \frac{1}{u \cdot 2} d u$

Schritt 9.2

Bringe $2$ auf die linke Seite von $u$ .

$\ln (| X |) + C - \int \frac{1}{2 u} d u$

Schritt 10

Da $\frac{1}{2}$ konstant bezüglich $u$ ist, ziehe $\frac{1}{2}$ aus dem Integral.

$\ln (| X |) + C - (\frac{1}{2} \int \frac{1}{u} d u)$

Schritt 11

Das Integral von $\frac{1}{u}$ nach $u$ ist $\ln (| u |)$ .

$\ln (| X |) + C - \frac{1}{2} (\ln (| u |) + C)$

Schritt 12

Vereinfache.

$\ln (| X |) - \frac{1}{2} \ln (| u |) + C$

Schritt 13

Ersetze alle $u$ durch $X^{2} + 1$ .

$\ln (| X |) - \frac{1}{2} \ln (| X^{2} + 1 |) + C$

Schritt 14

Die Lösung ist die Stammfunktion der Funktion $f (X) = \frac{1}{X^{3} + X}$ .

$F (X) =$ $\ln (| X |) - \frac{1}{2} \ln (| X^{2} + 1 |) + C$