Ολοκλήρωμα του $$$\frac{x^{4}}{x^{2} - 1}$$$

Βρείτε $$$\int \frac{x^{4}}{x^{2} - 1}\, dx$$$.

Εφόσον ο βαθμός του αριθμητή δεν είναι μικρότερος από τον βαθμό του παρονομαστή, εκτελέστε τη μακρά διαίρεση πολυωνύμων (τα βήματα φαίνονται »):

$${\color{red}{\int{\frac{x^{4}}{x^{2} - 1} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(x^{2} + 1 + \frac{1}{x^{2} - 1}\right)d x}}}$$

Ολοκληρώστε όρο προς όρο:

$${\color{red}{\int{\left(x^{2} + 1 + \frac{1}{x^{2} - 1}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\int{1 d x} + \int{x^{2} d x} + \int{\frac{1}{x^{2} - 1} d x}\right)}}$$

Εφαρμόστε τον κανόνα της σταθεράς $$$\int c\, dx = c x$$$ με $$$c=1$$$:

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

Εφαρμόστε τον κανόνα δύναμης $$$\int x^{n}\, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ με $$$n=2$$$:

$$x + \int{\frac{1}{x^{2} - 1} d x} + {\color{red}{\int{x^{2} d x}}}=x + \int{\frac{1}{x^{2} - 1} d x} + {\color{red}{\frac{x^{1 + 2}}{1 + 2}}}=x + \int{\frac{1}{x^{2} - 1} d x} + {\color{red}{\left(\frac{x^{3}}{3}\right)}}$$

Εκτελέστε αποσύνθεση σε μερικά κλάσματα (τα βήματα μπορούν να προβληθούν »):

$$\frac{x^{3}}{3} + x + {\color{red}{\int{\frac{1}{x^{2} - 1} d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + x + {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \left(x + 1\right)} + \frac{1}{2 \left(x - 1\right)}\right)d x}}}$$

Ολοκληρώστε όρο προς όρο:

$$\frac{x^{3}}{3} + x + {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \left(x + 1\right)} + \frac{1}{2 \left(x - 1\right)}\right)d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + x + {\color{red}{\left(\int{\frac{1}{2 \left(x - 1\right)} d x} - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}\right)}}$$

Εφαρμόστε τον κανόνα του σταθερού πολλαπλασίου $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ με $$$c=\frac{1}{2}$$$ και $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x - 1}$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \left(x - 1\right)} d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{x - 1} d x}}{2}\right)}}$$

Έστω $$$u=x - 1$$$.

Τότε $$$du=\left(x - 1\right)^{\prime }dx = 1 dx$$$ (τα βήματα παρουσιάζονται »), και έχουμε ότι $$$dx = du$$$.

Επομένως,

$$\frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{x - 1} d x}}}}{2} = \frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$

Το ολοκλήρωμα του $$$\frac{1}{u}$$$ είναι $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = \frac{x^{3}}{3} + x - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$

Θυμηθείτε ότι $$$u=x - 1$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(x - 1\right)}}}\right| \right)}}{2} - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}$$

Εφαρμόστε τον κανόνα του σταθερού πολλαπλασίου $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ με $$$c=\frac{1}{2}$$$ και $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x + 1}$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{x + 1} d x}}{2}\right)}}$$

Έστω $$$u=x + 1$$$.

Τότε $$$du=\left(x + 1\right)^{\prime }dx = 1 dx$$$ (τα βήματα παρουσιάζονται »), και έχουμε ότι $$$dx = du$$$.

Επομένως,

$$\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{x + 1} d x}}}}{2} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$

Το ολοκλήρωμα του $$$\frac{1}{u}$$$ είναι $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$

Θυμηθείτε ότι $$$u=x + 1$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(x + 1\right)}}}\right| \right)}}{2}$$

Επομένως,

$$\int{\frac{x^{4}}{x^{2} - 1} d x} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{x + 1}\right| \right)}}{2}$$

Προσθέστε τη σταθερά ολοκλήρωσης:

$$\int{\frac{x^{4}}{x^{2} - 1} d x} = \frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{x + 1}\right| \right)}}{2}+C$$

$$$\int \frac{x^{4}}{x^{2} - 1}\, dx = \left(\frac{x^{3}}{3} + x + \frac{\ln\left(\left|{x - 1}\right|\right)}{2} - \frac{\ln\left(\left|{x + 1}\right|\right)}{2}\right) + C$$$A