Математический анализ Примеры

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

Этап 1

Запишем $\frac{1}{X^{3} + X}$ в виде функции.

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

Этап 2

Чтобы найти функцию $F (X)$ , найдем неопределенный интеграл производной $f (X)$ .

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

Этап 3

Составим интеграл, чтобы решить его.

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

Этап 4

Запишем дробь, используя разложение на элементарные дроби.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1

Разложим дробь и умножим на общий знаменатель.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.1

Вынесем множитель $X$ из $X^{3} + X$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.1.1

Вынесем множитель $X$ из $X^{3}$ .

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

Этап 4.1.1.2

Возведем $X$ в степень $1$ .

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

Этап 4.1.1.3

Вынесем множитель $X$ из $X^{1}$ .

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

Этап 4.1.1.4

Вынесем множитель $X$ из $X \cdot X^{2} + X \cdot 1$ .

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

Этап 4.1.2

Для каждого множителя в знаменателе создадим новую дробь, используя множитель в качестве знаменателя, а неизвестное значение — в качестве числителя. Поскольку у множителя 2-й порядок, в числителе должно быть $2$ членов. Количество необходимых членов в числителе всегда равно порядку множителя в знаменателе.

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

Этап 4.1.3

Умножим каждую дробь в уравнении на знаменатель исходного выражения. В этом случае знаменатель равен $X (X^{2} + 1)$ .

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

Этап 4.1.4

Сократим общий множитель $X$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.4.1

Сократим общий множитель.

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

Этап 4.1.4.2

Перепишем это выражение.

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

Этап 4.1.5

Сократим общий множитель $X^{2} + 1$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.5.1

Сократим общий множитель.

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

Этап 4.1.5.2

Перепишем это выражение.

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

Этап 4.1.6

Упростим каждый член.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.6.1

Сократим общий множитель $X$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.6.1.1

Сократим общий множитель.

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

Этап 4.1.6.1.2

Разделим $A (X^{2} + 1)$ на $1$ .

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

Этап 4.1.6.2

Применим свойство дистрибутивности.

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

Этап 4.1.6.3

Умножим $A$ на $1$ .

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

Этап 4.1.6.4

Сократим общий множитель $X^{2} + 1$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.6.4.1

Сократим общий множитель.

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

Этап 4.1.6.4.2

Разделим $(B X + C) (X)$ на $1$ .

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

Этап 4.1.6.5

Применим свойство дистрибутивности.

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

Этап 4.1.6.6

Умножим $X$ на $X$ , сложив экспоненты.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.1.6.6.1

Перенесем $X$ .

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

Этап 4.1.6.6.2

Умножим $X$ на $X$ .

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

Этап 4.1.7

Перенесем $A$ .

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

Этап 4.2

Составим уравнения для переменных элементарной дроби и используем их для создания системы уравнений.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.2.1

Составим уравнение для переменных элементарной дроби, приравняв коэффициенты $X^{2}$ из каждой части уравнения. Чтобы уравнение было верным, эквивалентные коэффициенты в каждой части уравнения должны быть равны.

$0 = A + B$

Этап 4.2.2

Составим уравнение для переменных элементарной дроби, приравняв коэффициенты $X$ из каждой части уравнения. Чтобы уравнение было верным, эквивалентные коэффициенты в каждой части уравнения должны быть равны.

$0 = C$

Этап 4.2.3

Составим уравнение для переменных элементарной дроби, приравняв коэффициенты членов, не содержащих $X$ . Чтобы уравнение было верным, эквивалентные коэффициенты в каждой части уравнения должны быть равны.

$1 = A$

Этап 4.2.4

Составим систему уравнений, чтобы найти коэффициенты элементарных дробей.

$0 = A + B$

$0 = C$

$1 = A$

$0 = A + B$

$0 = C$

$1 = A$

Этап 4.3

Решим систему уравнений.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.3.1

Перепишем уравнение в виде $C = 0$ .

$C = 0$

$0 = A + B$

$1 = A$

Этап 4.3.2

Перепишем уравнение в виде $A = 1$ .

$A = 1$

$C = 0$

$0 = A + B$

Этап 4.3.3

Заменим все вхождения $A$ на $1$ во всех уравнениях.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.3.3.1

Заменим все вхождения $A$ в $0 = A + B$ на $1$ .

$0 = (1) + B$

$A = 1$

$C = 0$

Этап 4.3.3.2

Упростим правую часть.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.3.3.2.1

Избавимся от скобок.

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

$0 = 1 + B$

$A = 1$

$C = 0$

Этап 4.3.4

Решим относительно $B$ в $0 = 1 + B$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.3.4.1

Перепишем уравнение в виде $1 + B = 0$ .

$1 + B = 0$

$A = 1$

$C = 0$

Этап 4.3.4.2

Вычтем $1$ из обеих частей уравнения.

$B = - 1$

$A = 1$

$C = 0$

$B = - 1$

$A = 1$

$C = 0$

Этап 4.3.5

Решим систему уравнений.

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

Этап 4.3.6

Перечислим все решения.

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

Этап 4.4

Заменим каждый коэффициент элементарной дроби в $\frac{A}{X} + \frac{B X + C}{X^{2} + 1}$ значениями, найденными для $A$ , $B$ и $C$ .

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

Этап 4.5

Упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.5.1

Избавимся от скобок.

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

Этап 4.5.2

Упростим числитель.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 4.5.2.1

Перепишем $- 1 X$ в виде $- X$ .

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

Этап 4.5.2.2

Добавим $- X$ и $0$ .

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

Этап 4.5.3

Вынесем знак минуса перед дробью.

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

Этап 5

Разделим данный интеграл на несколько интегралов.

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

Этап 6

Интеграл $\frac{1}{X}$ по $X$ имеет вид $\ln (| X |)$ .

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

Этап 7

Поскольку $- 1$ — константа по отношению к $X$ , вынесем $- 1$ из-под знака интеграла.

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

Этап 8

Пусть $u = X^{2} + 1$ . Тогда $d u = 2 X d X$ , следовательно $\frac{1}{2} d u = X d X$ . Перепишем, используя $u$ и $d$ $u$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 8.1

Пусть $u = X^{2} + 1$ . Найдем $\frac{d u}{d X}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 8.1.1

Дифференцируем $X^{2} + 1$ .

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

Этап 8.1.2

По правилу суммы производная $X^{2} + 1$ по $X$ имеет вид $\frac{d}{d X} [X^{2}] + \frac{d}{d X} [1]$ .

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

Этап 8.1.3

Продифференцируем, используя правило степени, которое гласит, что $\frac{d}{d X} [X^{n}]$ имеет вид $n X^{n - 1}$ , где $n = 2$ .

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

Этап 8.1.4

Поскольку $1$ является константой относительно $X$ , производная $1$ относительно $X$ равна $0$ .

$2 X + 0$

Этап 8.1.5

Добавим $2 X$ и $0$ .

$2 X$

Этап 8.2

Переформулируем задачу с помощью $u$ и $d u$ .

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

Этап 9

Упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 9.1

Умножим $\frac{1}{u}$ на $\frac{1}{2}$ .

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

Этап 9.2

Перенесем $2$ влево от $u$ .

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

Этап 10

Поскольку $\frac{1}{2}$ — константа по отношению к $u$ , вынесем $\frac{1}{2}$ из-под знака интеграла.

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

Этап 11

Интеграл $\frac{1}{u}$ по $u$ имеет вид $\ln (| u |)$ .

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

Этап 12

Упростим.

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

Этап 13

Заменим все вхождения $u$ на $X^{2} + 1$ .

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

Этап 14

Ответ ― первообразная функции $f (X) = \frac{1}{X^{3} + X}$ .

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