Analysis Beispiele

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

Schritt 1

Dividiere $x^{2} + 1$ durch $x^{2} - x$ .

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Schritt 1.1

Stelle die zu dividierenden Polynome auf. Wenn es nicht für jeden Exponenten einen Term gibt, setze einen ein mit dem Wert $0$ .

$x^{2}$

$x$

$0$

$x^{2}$

$0 x$

$1$

Schritt 1.2

Dividiere den Term höchster Ordnung im Dividend $x^{2}$ durch den Term höchster Ordnung im Divisor $x^{2}$ .

							$1$
	$x^{2}$	-	$x$	+	$0$		$x^{2}$	+	$0 x$	+	$1$

Schritt 1.3

Multipliziere den neuen Bruchterm mit dem Teiler.

						$1$
$x^{2}$	-	$x$	+	$0$		$x^{2}$	+	$0 x$	+	$1$
					+	$x^{2}$	-	$x$	+	$0$

Schritt 1.4

Der Ausdruck muss vom Dividenden abgezogen werden, ändere also alle Vorzeichen in $x^{2} - x + 0$

						$1$
$x^{2}$	-	$x$	+	$0$		$x^{2}$	+	$0 x$	+	$1$
					-	$x^{2}$	+	$x$	-	$0$

Schritt 1.5

Addiere nach dem Wechsel der Vorzeichen den letzten Dividenden des ausmultiplizierten Polynoms, um den neuen Dividenden zu finden.

						$1$
$x^{2}$	-	$x$	+	$0$		$x^{2}$	+	$0 x$	+	$1$
					-	$x^{2}$	+	$x$	-	$0$
							+	$x$	+	$1$

Schritt 1.6

Die endgültige Lösung ist der Quotient plus dem Rest geteilt durch den Divisor.

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

Schritt 2

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

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

Schritt 3

Wende die Konstantenregel an.

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

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 $x^{2} - x$ heraus.

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Schritt 4.1.1.1

Faktorisiere $x$ aus $x^{2}$ heraus.

$\frac{x + 1}{x \cdot x - x}$

Schritt 4.1.1.2

Faktorisiere $x$ aus $- x$ heraus.

$\frac{x + 1}{x \cdot x + x \cdot - 1}$

Schritt 4.1.1.3

Faktorisiere $x$ aus $x \cdot x + x \cdot - 1$ heraus.

$\frac{x + 1}{x (x - 1)}$

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 im Nenner linear ist, setze eine einzelne Variable für den Zähler ein $B$ .

$\frac{A}{x} + \frac{B}{x - 1}$

Schritt 4.1.3

Multipliziere jeden Bruch in der Gleichung mit dem Nenner des ursprünglichen Ausdrucks. In diesem Fall ist der Nenner gleich $x (x - 1)$ .

$\frac{(x + 1) (x (x - 1))}{x (x - 1)} = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.4

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x$ .

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Schritt 4.1.4.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{(x + 1) (x (x - 1))}{x (x - 1)} = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.4.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{(x + 1) (x - 1)}{x - 1} = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x - 1$ .

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Schritt 4.1.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{(x + 1) (x - 1)}{x - 1} = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.5.2

Dividiere $x + 1$ durch $1$ .

$x + 1 = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

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.

$x + 1 = \frac{A (x (x - 1))}{x} + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.1.2

Dividiere $A (x - 1)$ durch $1$ .

$x + 1 = A (x - 1) + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.2

Wende das Distributivgesetz an.

$x + 1 = A x + A \cdot - 1 + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.3

Bringe $- 1$ auf die linke Seite von $A$ .

$x + 1 = A x - 1 \cdot A + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.4

Schreibe $- 1 A$ als $- A$ um.

$x + 1 = A x - A + \frac{(B) (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x - 1$ .

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Schritt 4.1.6.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$x + 1 = A x - A + \frac{B (x (x - 1))}{x - 1}$

Schritt 4.1.6.5.2

Dividiere $(B) (x)$ durch $1$ .

$x + 1 = A x - A + (B) (x)$

$x + 1 = A x - A + B x$

Schritt 4.1.7

Bewege $- A$ .

$x + 1 = A x + B x - A$

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 $x$ jeder Seite der Gleichung. Damit die Gleichung gilt, müssen äquivalente Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$1 = A + B$

Schritt 4.2.2

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.

$1 = - 1 A$

Schritt 4.2.3

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

$1 = A + B$

$1 = - 1 A$

$1 = A + B$

$1 = - 1 A$

Schritt 4.3

Löse das Gleichungssystem.

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Schritt 4.3.1

Löse in $1 = - 1 A$ nach $A$ auf.

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Schritt 4.3.1.1

Schreibe die Gleichung als $- 1 A = 1$ um.

$- 1 A = 1$

$1 = A + B$

Schritt 4.3.1.2

Teile jeden Ausdruck in $- 1 A = 1$ durch $- 1$ und vereinfache.

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Schritt 4.3.1.2.1

Teile jeden Ausdruck in $- 1 A = 1$ durch $- 1$ .

$\frac{- 1 A}{- 1} = \frac{1}{- 1}$

$1 = A + B$

Schritt 4.3.1.2.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 4.3.1.2.2.1

Dividieren zweier negativer Zahlen ergibt eine positive Zahl.

$\frac{A}{1} = \frac{1}{- 1}$

$1 = A + B$

Schritt 4.3.1.2.2.2

Dividiere $A$ durch $1$ .

$A = \frac{1}{- 1}$

$1 = A + B$

$A = \frac{1}{- 1}$

$1 = A + B$

Schritt 4.3.1.2.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 4.3.1.2.3.1

Dividiere $1$ durch $- 1$ .

$A = - 1$

$1 = A + B$

$A = - 1$

$1 = A + B$

$A = - 1$

$1 = A + B$

$A = - 1$

$1 = A + B$

Schritt 4.3.2

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

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Schritt 4.3.2.1

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

$1 = (- 1) + B$

$A = - 1$

Schritt 4.3.2.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 4.3.2.2.1

Entferne die Klammern.

$1 = - 1 + B$

$A = - 1$

$1 = - 1 + B$

$A = - 1$

$1 = - 1 + B$

$A = - 1$

Schritt 4.3.3

Löse in $1 = - 1 + B$ nach $B$ auf.

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Schritt 4.3.3.1

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

$- 1 + B = 1$

$A = - 1$

Schritt 4.3.3.2

Bringe alle Terme, die nicht $B$ enthalten, auf die rechte Seite der Gleichung.

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Schritt 4.3.3.2.1

Addiere $1$ zu beiden Seiten der Gleichung.

$B = 1 + 1$

$A = - 1$

Schritt 4.3.3.2.2

Addiere $1$ und $1$ .

$B = 2$

$A = - 1$

$B = 2$

$A = - 1$

$B = 2$

$A = - 1$

Schritt 4.3.4

Löse das Gleichungssystem.

$B = 2 A = - 1$

Schritt 4.3.5

Liste alle Lösungen auf.

$B = 2, A = - 1$

Schritt 4.4

Ersetze jeden der Teilbruchkoeffizienten in $\frac{A}{x} + \frac{B}{x - 1}$ durch die Werte, die für $A$ und $B$ ermittelt wurden.

$- \frac{1}{x} + \frac{2}{x - 1}$

Schritt 4.5

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$x + C + \int - \frac{1}{x} + \frac{2}{x - 1} d x$

Schritt 5

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

$x + C + \int - \frac{1}{x} d x + \int \frac{2}{x - 1} d x$

Schritt 6

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

$x + C - \int \frac{1}{x} d x + \int \frac{2}{x - 1} d x$

Schritt 7

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

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

Schritt 8

Da $2$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $2$ aus dem Integral.

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

Schritt 9

Sei $u = x - 1$ . Dann ist $d u = d x$ . Forme um unter Vewendung von $u$ und $d$ $u$ .

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Schritt 9.1

Es sei $u = x - 1$ . Ermittle $\frac{d u}{d x}$ .

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Schritt 9.1.1

Differenziere $x - 1$ .

$\frac{d}{d x} [x - 1]$

Schritt 9.1.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $x - 1$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [x] + \frac{d}{d x} [- 1]$ .

$\frac{d}{d x} [x] + \frac{d}{d x} [- 1]$

Schritt 9.1.3

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

$1 + \frac{d}{d x} [- 1]$

Schritt 9.1.4

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

$1 + 0$

Schritt 9.1.5

Addiere $1$ und $0$ .

$1$

Schritt 9.2

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

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

Schritt 10

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

$x + C - (\ln (| x |) + C) + 2 (\ln (| u |) + C)$

Schritt 11

Vereinfache.

$x - \ln (| x |) + 2 \ln (| u |) + C$

Schritt 12

Ersetze alle $u$ durch $x - 1$ .

$x - \ln (| x |) + 2 \ln (| x - 1 |) + C$