AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Задача №1591

Условие

Найти интеграл \(\displaystyle{\int\frac{x^3-2x^2+4}{x^3(x-2)^2}dx}\).

Решение

\[ \frac{x^3-2x^2+4}{x^3(x-2)^2} =\frac{A}{x}+\frac{B}{x^2}+\frac{C}{x^3}+\frac{D}{x-2}+\frac{E}{(x-2)^2}=\\ =\frac{Ax^2(x-2)^2+Bx(x-2)^2+C(x-2)^2+Dx^3(x-2)+Ex^3}{x^3(x-2)^2} \]
\[ \begin{equation} x^3-2x^2+4 =Ax^2(x-2)^2+Bx(x-2)^2+C(x-2)^2+Dx^3(x-2)+Ex^3 \label{eq:1} \end{equation} \]

Подставляя \(\displaystyle{x=0}\), получим \(\displaystyle{4=4C}\), откуда \(\displaystyle{C=1}\). Аналогично, подставляя \(\displaystyle{x=2}\), получим \(\displaystyle{E=\frac{1}{2}}\).

Подставляем \(\displaystyle{C=1}\) и \(\displaystyle{E=\frac{1}{2}}\) в \(\displaystyle{\eqref{eq:1}}\):

\[ x^3-2x^2+4 =Ax^2(x-2)^2+Bx(x-2)^2+(x-2)^2+Dx^3(x-2)+\frac{1}{2}x^3;\\ \frac{1}{2}x^3-3x^2+4x =Ax^2(x-2)^2+Bx(x-2)^2+Dx^3(x-2);\\ x(x-2)\left(\frac{1}{2}x-2\right) =Ax^2(x-2)^2+Bx(x-2)^2+Dx^3(x-2). \]
\[ \begin{equation} \frac{1}{2}x-2 =Ax(x-2)+B(x-2)+Dx^2 \label{eq:2} \end{equation} \]

Подставляя \(\displaystyle{\eqref{eq:2}}\) значения \(\displaystyle{x=0}\) и \(\displaystyle{x=2}\), получим соответственно \(\displaystyle{B=1}\) и \(\displaystyle{D=-\frac{1}{4}}\). Далее, после подстановки \(\displaystyle{x=-2}\) имеем уравнение \(\displaystyle{8A-4B+4D=-3}\), откуда получаем \(\displaystyle{A=\frac{1}{4}}\).

Возвращаемся к исходному интегралу:

\[ \int\frac{x^3-2x^2+4}{x^3(x-2)^2}dx =\int\left(\frac{1}{4}\cdot\frac{1}{x}+\frac{1}{x^2}+\frac{1}{x^3}-\frac{1}{4}\cdot\frac{1}{x-2}+\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{(x-2)^2}\right)dx=\\ =\frac{1}{4}\ln|x|-\frac{1}{x}-\frac{1}{2x^2}-\frac{1}{4}\ln|x-2|-\frac{1}{2(x-2)}+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{1}{4}\ln|x|-\frac{1}{x}-\frac{1}{2x^2}-\frac{1}{4}\ln|x-2|-\frac{1}{2(x-2)}+C}\)

Источники задачи

Задачник №1Берман "Сборник задач по курсу математического анализа"
Глава №6Неопределённый интеграл. Интегральное исчисление
Параграф №3Основные классы интегрируемых функций
Задача №2034