Analysis Beispiele

$\frac{4}{x^{2} + 2 x + 1}$

Schritt 1

Schreibe $\frac{4}{x^{2} + 2 x + 1}$ als Funktion.

$f (x) = \frac{4}{x^{2} + 2 x + 1}$

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.

$F (x) = \int \frac{4}{x^{2} + 2 x + 1} d x$

Schritt 4

Da $4$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $4$ aus dem Integral.

$4 \int \frac{1}{x^{2} + 2 x + 1} d x$

Schritt 5

Schreibe den Bruch mithilfe der Teilbruchzerlegung.

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Schritt 5.1

Zerlege den Bruch und multipliziere mit dem gemeinsamen Nenner durch.

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Schritt 5.1.1

Faktorisiere unter Verwendung der binomischen Formeln.

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Schritt 5.1.1.1

Schreibe $1$ als $1^{2}$ um.

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

Schritt 5.1.1.2

Überprüfe, ob der mittlere Term das Zweifache des Produkts der Zahlen ist, die im ersten Term und im dritten Term quadriert werden.

$2 x = 2 \cdot x \cdot 1$

Schritt 5.1.1.3

Schreibe das Polynom neu.

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

Schritt 5.1.1.4

Faktorisiere mithilfe der trinomischen Formel für das perfekte Quadrat $a^{2} + 2 a b + b^{2} = {(a + b)}^{2}$ , wobei $a = x$ und $b = 1$ .

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

Schritt 5.1.2

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 $A$ .

$\frac{A}{{(x + 1)}^{2}}$

Schritt 5.1.3

$\frac{A}{{(x + 1)}^{2}} + \frac{B}{x + 1}$

Schritt 5.1.4

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

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

Schritt 5.1.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von ${(x + 1)}^{2}$ .

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Schritt 5.1.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 5.1.5.2

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 5.1.6

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 5.1.6.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von ${(x + 1)}^{2}$ .

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Schritt 5.1.6.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 5.1.6.1.2

Dividiere $A$ durch $1$ .

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

Schritt 5.1.6.2

Kürze den gemeinsamen Teiler von ${(x + 1)}^{2}$ und $x + 1$ .

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Schritt 5.1.6.2.1

Faktorisiere $x + 1$ aus $(B) {(x + 1)}^{2}$ heraus.

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

Schritt 5.1.6.2.2

Kürze die gemeinsamen Faktoren.

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Schritt 5.1.6.2.2.1

Multipliziere mit $1$ .

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

Schritt 5.1.6.2.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 5.1.6.2.2.3

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 5.1.6.2.2.4

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

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

Schritt 5.1.6.3

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = A + B x + B \cdot 1$

Schritt 5.1.6.4

Mutltipliziere $B$ mit $1$ .

$1 = A + B x + B$

Schritt 5.1.7

Stelle $A$ und $B x$ um.

$1 = B x + A + B$

Schritt 5.2

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

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Schritt 5.2.1

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.

$0 = B$

Schritt 5.2.2

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.

$1 = A + B$

Schritt 5.2.3

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

$0 = B$

$1 = A + B$

$0 = B$

$1 = A + B$

Schritt 5.3

Löse das Gleichungssystem.

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Schritt 5.3.1

Schreibe die Gleichung als $B = 0$ um.

$B = 0$

$1 = A + B$

Schritt 5.3.2

Ersetze alle Vorkommen von $B$ durch $0$ in jeder Gleichung.

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Schritt 5.3.2.1

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

$1 = A + 0$

$B = 0$

Schritt 5.3.2.2

Vereinfache $1 = A + 0$ .

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Schritt 5.3.2.2.1

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 5.3.2.2.1.1

Entferne die Klammern.

$1 = A + 0$

$B = 0$

$1 = A + 0$

$B = 0$

Schritt 5.3.2.2.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 5.3.2.2.2.1

Addiere $A$ und $0$ .

$1 = A$

$B = 0$

$1 = A$

$B = 0$

$1 = A$

$B = 0$

$1 = A$

$B = 0$

Schritt 5.3.3

Schreibe die Gleichung als $A = 1$ um.

$A = 1$

$B = 0$

Schritt 5.3.4

Löse das Gleichungssystem.

$A = 1 B = 0$

Schritt 5.3.5

Liste alle Lösungen auf.

$A = 1, B = 0$

Schritt 5.4

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

$\frac{1}{{(x + 1)}^{2}} + \frac{0}{x + 1}$

Schritt 5.5

Vereinfache.

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Schritt 5.5.1

Dividiere $0$ durch $x + 1$ .

$\frac{1}{{(x + 1)}^{2}} + 0$

Schritt 5.5.2

Entferne die Null aus dem Ausdruck.

$4 \int \frac{1}{{(x + 1)}^{2}} d x$

Schritt 6

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

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Schritt 6.1

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

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Schritt 6.1.1

Differenziere $x + 1$ .

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

Schritt 6.1.2

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 6.1.3

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 6.1.4

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

$1 + 0$

Schritt 6.1.5

Addiere $1$ und $0$ .

$1$

Schritt 6.2

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

$4 \int \frac{1}{u^{2}} d u$

Schritt 7

Wende die grundlegenden Potenzregeln an.

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Schritt 7.1

Bringe $u^{2}$ aus dem Nenner durch Potenzieren mit $- 1$ .

$4 \int {(u^{2})}^{- 1} d u$

Schritt 7.2

Multipliziere die Exponenten in ${(u^{2})}^{- 1}$ .

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Schritt 7.2.1

Wende die Potenzregel an und multipliziere die Exponenten, ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ .

$4 \int u^{2 \cdot - 1} d u$

Schritt 7.2.2

Mutltipliziere $2$ mit $- 1$ .

$4 \int u^{- 2} d u$

Schritt 8

Gemäß der Potenzregel ist das Integral von $u^{- 2}$ nach $u$ gleich $- u^{- 1}$ .

$4 (- u^{- 1} + C)$

Schritt 9

Vereinfache.

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Schritt 9.1

Schreibe $4 (- u^{- 1} + C)$ als $4 (- \frac{1}{u}) + C$ um.

$4 (- \frac{1}{u}) + C$

Schritt 9.2

Vereinfache.

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Schritt 9.2.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $4$ .

$- 4 \frac{1}{u} + C$

Schritt 9.2.2

Kombiniere $- 4$ und $\frac{1}{u}$ .

$\frac{- 4}{u} + C$

Schritt 9.2.3

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$- \frac{4}{u} + C$

Schritt 10

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

$- \frac{4}{x + 1} + C$

Schritt 11

Die Lösung ist die Stammfunktion der Funktion $f (x) = \frac{4}{x^{2} + 2 x + 1}$ .

$F (x) =$ $- \frac{4}{x + 1} + C$