[ Posty: 1 ] 
Autor Wiadomość
Mężczyzna Offline
PostNapisane: 17 maja 2012, o 13:44 
Gość Specjalny

Posty: 8534
Lokalizacja: Kraków
Przez ułamki proste (odpowiednio I i II rodzaju) rozumiemy następujące wyrażenia:

\frac{A}{(ax+b)^k}, \quad \frac{Bx+C}{(cx^2 + dx+e)^p}

gdzie x jest zmienną, zaś pozostałe oznaczenia odnoszą się do stałych, przy czym k i p to liczby naturalne. Dodatkowo wyróżnik trójmianu kwadratowego jest ujemny, tzn. d^2 - 4ec <  0 [1].

Umiejętność rozkładania wyrażeń wymiernych na sumę ułamków prostych jest kluczowa w wielu zagadnieniach analizy matematycznej, m.in. przy całkowaniu funkcji wymiernych, badaniu zbieżności szeregów lub obliczania ich sumy czy też przy obliczaniu odwrotnej transformaty Laplace'a.

Ogólny algorytm rozkładania wyrażenia wymiernego na sumę ułamków prostych przedstawimy na następujących przykładzach.





1. Oblicz całkę
I = \int \frac{6 - 4x}{x^3 - 6x^2 + 11 x - 6} \, \mbox d x


Pierwiastków wielomianu z mianownika szukamy w postaci dzielników wyrazu wolnego, czyli -6. Widzimy, że 1 jest pierwiastkiem, zatem możemy dalej zapisać:

$\begin{align*} x^3 - 6x^2 + 11x - 6 &= (x-1)(x^2 - 5x + 6) = (x-1)(x^2 - 3x - 2x + 6) \\
& = (x-1)(x-2)(x-3) \end{align*} $

Zatem w rozkładzie funkcji podcałkowej na ułamki proste, występować będą tylko ułamki I rodzaju.

\frac{6 - 4x}{x^3 - 6x^2 + 11 x - 6} \equiv \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x-2} + \frac{C}{x-3}

Zakładamy, że (x-1)(x-2)(x-3) \neq 0 i mnożymy przez to wyrażenie obustronnie powyższą tożsamość

6 - 4x \equiv A (x-2)(x-3) + B(x-1)(x-3) + C (x-1)(x-2) \quad (1)

Wymnażamy wyrażenia po prawej i porządkujemy wyrazy

6 - 4x \equiv (A+B+C)x^2 + (-5A -4B - 3C) x + (6A + 3 B + 2 C)

Przyrównując współczynniki przy odpowiednich potęgach zmiennej x po obu stronach tożsamości otrzymamy układ trzech równań liniowych.

\begin{cases} \phantom{-}0 & = A+B+C \\
-4 &= -5A - 4B - 3C \\
\phantom{-}6 &= 6A + 3 B + 2 C\end{cases}

Czytelnik może spróbować rozwiązać ten układ znanymi sobie metodami, jednak do wyznaczenia stałych A, B, C możemy posłużyć się innym rozumowaniem. Otóż podstawmy do równania (1) kolejno x=1, \; x=2, \; x=3, co da nam:

\begin{cases} 2 & = 2A \\ -2 & = -B \\ -6 &= 2C \end{cases}

Zatem:
\frac{6 - 4x}{x^3 - 6x^2 + 11 x - 6} = \frac{1}{x-1} + \frac{2}{x-2} - \frac{3}{x-3}

Rozwiązaniem zadania jest rodzina funkcji:

I = \int \left( \frac{1}{x-1} + \frac{2}{x-2} - \frac{3}{x-3} \right) \, \mbox d x = \ln |x+1| + 2 \ln |x-2|  - 3 \ln |x-3| +C


2. Oblicz całkę
I  = \int \frac{\mbox d x}{4 + x^4}


Wydawać by się mogło, że funkcja podcałkowa jest już ułamkiem prostym - wielomian z mianownika nie ma pierwiastków rzeczywistych. Tak jednak nie jest. Spoglądając na to jak zostały przez nas zdefiniowane ułamki proste widzimy, że wielomian x^4 + 4 powinien dać się rozłożyć na iloczyn dwóch wielomianów drugiego stopnia. Istotnie, posłużmy się wzorami skróconego mnożenia by zapisać:

x^4 + 4 = x^4 + 4x^2 + 4 - 4x^2 = (x^2 + 2)^2 - 4x^2 = \left[ (x^2 + 2) - 2 x \right] \cdot \left[ (x^2 + 2) + 2 x \right]

Rozkład na ułamki proste będzie miał postać:

\frac{1}{4 + x^4} \equiv \frac{A x + B}{x^2 - 2x + 2} + \frac{C x + D}{x^2 + 2x + 2}

Mnożymy tożsamość obustronnie przez 4+x^4 oraz porządkujemy wyrażenia:

1 \equiv (A + C)x^3 + (2A + B - 2 C + D) x^2 + 2(A + B  + C - D)x + 2(B+D)

jest to równoważne następującemu układowi równań

\begin{cases} A + C & = 0 \\ 2A + B - 2 C + D &= 0 \\ 2(A + B  + C - D) & = 0 \\ 2B + 2D & = 1 \end{cases}

Układ ten można uprościć. Z pierwszego równania wyznaczamy A = - C, z ostatniego zaś B = \tfrac{1}{2} - D. Wstawiamy te zależności do drugiego i trzeciego równania otrzymując

\begin{cases} -2 C + \frac{1}{2} - D - 2C + D & = 0 \\ 2 \left( -C + \frac{1}{2} - D + C - D \right) & = 0  \end{cases}

Od razu możemy odczytać, że C = \frac{1}{8} = - A oraz D = \frac{1}{4} = \frac{1}{2} - B. Pozwala to nam zapisać całkę w następującej postaci:

I = \int \left( \frac{ -\frac{1}{8} x + \frac{1}{4} }{x^2 - 2x + 2} + \frac{ \frac{1}{8} x + \frac{1}{4} }{x^2 + 2x + 2} \right) \, \mbox d x

W tym miejscu zwróćmy uwagę na to, że ułamki proste II rodzaju nie są w ogólności wygodne do całkowania. Jest na to jednak sposób - należy tak przekształcić licznik by znalazła się w nich pochodna trójmianu kwadratowego (z dokładnością do stałej multiplikatywnej) z mianownika plus ,,reszta''. By lepiej zobrazować tę ideę, posłużymy się przykładem.

\frac{ -\frac{1}{8} x + \frac{1}{4} }{x^2 - 2x + 2}

Pochodna trójmianu z mianownika to (x^2 - 2x + 2)' = 2x - 2, możemy to dalej przekształcić:

$ \begin{align*} 2x - 2 &= - 16 \left( - \frac{1}{8} x + \frac{1}{8} \right) \\
& = - 16 \left( - \frac{1}{8} x + \frac{1}{4} - \frac{1}{8} \right)\\
& = -16 \left( - \frac{1}{8} x + \frac{1}{4} \right) + 2\end{align*} $

W ten sposób otrzymamy:

\frac{ -\frac{1}{8} x + \frac{1}{4} }{x^2 - 2x + 2} = \frac{ - \frac{1}{16} \left[ (2x-2) - 2 \right] }{x^2 - 2x + 2} = -\frac{1}{16} \frac{(x^2 - 2x + 2)'}{x^2 - 2x+ 2} + \frac{1}{8} \frac{1}{x^2 - 2x +2}

Dodatkowo trójmian kwadratowy w drugim ułamku zapiszmy w postaci kanonicznej: x^2 - 2x +2 = (x-1)^2 + 1.
Postępując analogicznie z drugim ułamkiem prostym powstałym w wyniku rozkładu funkcji podcałkowej z I otrzymamy:

I = \int \left( -\frac{1}{16} \frac{(x^2 - 2x + 2)'}{x^2 - 2x+ 2} + \frac{1}{8} \frac{1}{(x-1)^2 + 1} + \frac{1}{16} \frac{(x^2 + 2x + 2)'}{x^2 + 2x+ 2} + \frac{1}{8} \frac{1}{(x+1)^2 + 1}  \right) \, \mbox d x

Korzystając z podstawowych wzorów na całkowanie otrzymamy:

I = - \frac{1}{16} \ln | x^2  - 2 x + 2| + \frac{1}{8} \arctan (x-1) + \frac{1}{16} \ln | x^2 + 2x + 2| + \frac{1}{8} \arctan (x+1) + C



3. Oblicz sumy następujących szeregów:

S_1 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n (n+1)}, \quad S_2 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{2n + 1}{n^2 (n+1)^2}


Rozkładu na ułamki proste dokonamy przez przekształcenia elementarne:

$\begin{align*} S_1 & = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{1}{n (n+1)} = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{n + 1 - n}{n (n+1)} \\
& = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( \frac{n+1}{n(n+1)} - \frac{n}{n(n+1)} \right) = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} \right) \\
& = \left( 1 - \frac{1}{2} \right) + \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) + \ldots = 1
\end{align*}$


$\begin{align*} S_2 & = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{2n + 1}{n^2 (n+1)^2} = \sum_{n = 1}^{+\infty} \frac{(n + 1)^2 - n^2}{n^2 (n+1)^2} \\
& = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2(n+1)^2} - \frac{n^2}{n^2(n+1)^2} \right) = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n^2} - \frac{1}{(n+1)^2} \right) \\
& = \left( 1 - \frac{1}{2^2} \right) + \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{3^2} \right) + \ldots = 1
\end{align*}$



4. Oblicz odwrotną transformatę Laplace'a z: [2]

F(s) = \frac{s^3 + 6 s^2 + 15 s + 1}{s^4 + 4 s^3 + 4 s^2 + 3 s}


Oczywistym pierwiastkiem mianownika jest s=0. Kolejnych pierwiastków szukamy przez sprawdzanie czy któryś z dzielników liczby 3 nie jest pierwiastkiem. Okazuje się, że s=-3 jest pierwiastkiem. Stąd:

s^4 + 4 s^3 + 4 s^2 + 3 s = s(s^3 + 4s^2 + 4s+ 3) = s (s+3)(s^2 + s + 1)

Rozkład na sumę ułamków prostych ma postać:

\frac{s^3 + 6 s^2 + 15 s + 1}{s^4 + 4 s^3 + 4 s^2 + 3 s} \equiv \frac{A}{s} + \frac{B}{s + 3} + \frac{D s + E}{s^2 + s + 1}

Tożsamość mnożymy obustronnie przez s^4 + 4 s^3 + 4 s^2 + 3 s i porządkujemy wyrazy:

s^3 + 6 s^2 + 15 s + 1 \equiv (A + B + C)s^3 + (4A + B + 3 C +D)s^2 + (4A + B + 3 D) s +  3A

Jest to równoważne następującemu układowi równań:

\begin{cases} A + B + C & = 1 \\ 4A + B + 3 C +D & = 6 \\ 4A + B + 3 D & = 15 \\ 3A & = 1
\end{cases}

Z ostatniego równania mamy od razu A = \tfrac{1}{3}, co w połączeniu z pierwszym daje: B = \tfrac{2}{3} - C. Możemy zatem przepisać drugie i trzecie równanie:

\begin{cases} \frac{4}{3} + \frac{2}{3} - C + 3C + D & = 6 \\
\frac{4}{3} + \frac{2}{3} - C + 3 D & = 15 \end{cases}

Ostatecznie otrzymujemy następujący rozkład na sumę ułamków prostych:

\frac{1}{3} \frac{1}{s} + \frac{17}{21} \frac{1}{s+3} + \frac{1}{7} \frac{30 - s}{s^2 + s + 1}

Transformaty odwrotne dwóch pierwszych ułamków możemy zapisać od razu:

$ \begin{align*} \mathcal{L}^{-1} \left\{ \frac{1}{s} \right\}  & = u(t) \\
\mathcal{L}^{-1} \left\{  \frac{1}{s+3} \right\} & = e^{-3t} \cdot u(t) \end{align*}

Przez u oznaczyliśmy funkcję skoku jednostkowego. Ostatni ułamek, jako ułamek prosty, nie jest najbardziej praktycznym wyborem. W tym celu doprowadzimy go do następującej postaci:

\frac{30 - s}{s^2 + s + 1} = \frac{30 - s}{ \left( s + \frac{1}{2} \right) ^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) ^2} \equiv A \frac{s + \frac{1}{2}}{ \left( s + \frac{1}{2} \right) ^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) ^2} + B \frac{ \frac{\sqrt{3}}{2}}{ \left( s + \frac{1}{2} \right) ^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) ^2}

Taka postać ułamków pozwoli od razu zapisać transformatę odwrotną jako funkcje sinus i kosinus przesunięte w dziedzie s. Prosty rachunek daje odpowiedź w postaci:

G(s) = \frac{30 - s}{s^2 + s + 1} = - \frac{s + \frac{1}{2}}{ \left( s + \frac{1}{2} \right) ^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) ^2} + \frac{61}{\sqrt{3}} \frac{ \frac{\sqrt{3}}{2}}{ \left( s + \frac{1}{2} \right) ^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) ^2}

Stąd zaś:

\mathcal{L}^{-1} \left\{ G(s) \right\} = - e^{-t/2} \cos \frac{\sqrt{3} t}{2} u(t) + \frac{61}{\sqrt{3}} e^{-t/2} \sin \frac{\sqrt{3} t}{2} u(t)

W celu zakończenia zadania należy połączyć ze sobą wyniki kolejnych etapów rozwiązania.



5. Przykłady z Forum, z rozwiązaniami:



Wszelkie komentarze odnośnie tego postu proszę kierować na Obrazek

Źródła:
1. W. Krysicki, L. Włodarski, ,,Analiza matematyczna w zadaniacz, cz. I'', wydanie XXV
2. Arasis, Odwrotna transformata Laplace'a, 298053.htm
Góra
Utwórz nowy temat Odpowiedz w temacie  [ Posty: 1 ] 


 Zobacz podobne tematy
 Tytuł tematu   Autor   Odpowiedzi 
 Rozkład LU macierzy- szukanie wyznacznika macierzy
Rozkład LU macierzy- szukanie wyznacznika Rozkład LU macierzy w bardzo łatwy sposób daje nam możliwość policzenia wyznaczni...
 miodzio1988  0
 Rozkład normalny sprawdzenie
Proszę pilnie o pomoc w rozwiązaniu tych zadań. Z góry dzieki Pytanie 1 W pewnym teście o średniej 100 i odchyleniu standardowym 20 40% studentów uzyskało wynik lepszy od Jasia. Jaś zdobył (w zaokrągleniu do 1 punkta): A. 90 pkt B. 100 pkt C. 105 pkt...
 madzia2887  3
 Wielomian-rozkład na czynniki
Rozłóż wielomian W&#40;x&#41;=x^{4}-7x^{2}+12 na czynniki liniowe. Podaj niewymierne pierwiastki tego wielomianu....
 number23wp  1
 Zabawa zbiorami , niby proste ale ..
Zadanie : Dana jest przestrzeń U - zbiór kwadratów liczb naturalnych mniejszych lub równych 10. Niech A zawarte w U będzie zbiorem liczb podzielnych przez 3 , natomiast zbiór B w rzestrzeni U , zbiorem liczb mniejszych od 50. Wyznacz zbiory A and B ...
 tomato  2
 Proste równanie wymierne
Rozwiąż równania : a) \frac{x}{x-1}=\frac{x+1}{X+3}...
 teheris  3
 Rozkład na ulamki proste
Witam liczę całki ale jeszcze sporo muszę się nauczyć... Potrzebuje rozłożyć na ułamki proste: \frac{x ^{3}+x-1 }{ \left&#40;x ^{2}+2 \right&#41;^{2} }...
 pirat_kg  3
 Rozkład prawdopodobieństwa - zadanie 12
Witam, Mam nadzieje, ze uda sie tutaj komus mi pomoc. Jak powinnam interpretowac poniższy rozkład prawdopodobienstwa P&#40;a&lt;srednica&lt;b&#41;: \int_{a}^{b}\left[1-\cos\left&#40; \pi \left&#40; \frac{x-...
 aska1234bb  0
 Wyrażenia Wymierne - Przykłady - zadanie 2
Witam! Czy ktos mógłby mi pomóc rozwiązac lub naprowadzić jak wykonać te przykłady: a) \frac{x ^{2}+5x+6 }{x ^{2}-7x+12 } \frac{&#40;x-4}{&#40...
 Człeń  5
 Trzy proste przekształcenia.
a) (ab-a)(2ab+6a) b)a- c) x-(y-x)-(x-y)-x-(y-x)...
 Anonymous  4
 Rozkład Weibulla, maksimum
Potrzebuję losową wartość X\in&#40;0,1&#41; z rozkładem Weibulla. Załóżmy, że potrafię wygenerować liczbę losową wg tego rozkładu X\in&#40;0,+\infty&#41;. Mam też dane parametry rozkładu [tex...
 gajatko  1
 rozłożenie na pierwiastki proste?
\int_{}^{} \frac{dt}{&#40;t^{2}-1&#41;^{2} }to na ułamki proste postaci\frac{A}{&#40;t^{2}-1&#41;^{2}} + \frac{B}{&#40;t^{2}-1&#41;}?...
 johanneskate  1
 Dwie proste i punkt. Wyznacz okrąg.
Witam Mam problem z zadaniem: Wyznacz okrąg który ma styczne o równaniach y=x+0,5 oraz y=-0,5x+2.Do okręgu należy punkt P=&#40;6;1&#41; Próbuję od wczoraj ale nie ...
 dario777  6
 Rozkład i prawdopodobieństwo
X ma rozkład N(-2, 4). Prawdopodobieństwo P&#40;S_{6}>4&#41; wynosi ...? Rozwiązanie : P&#40;S_{6}^{2}>4^{2}=16&#41; standaryzujemy P&#40;Y_{5}>\frac{16\times{&#40;-2&#41;}...
 raV_P  6
 Proste równanie logarytmiczne - gdzie jest błąd?
Mam rozwiązać takie równanie 1+log_{2}x=0.5log_{2}&#40;x-9&#41;^{2} Oczywiście z założenia x większy od zera i różny od dziewięciu. Rozwiązuję: 1+log_{2}x=0.5log_{2}&#40;x-9&#41;^{2} [tex:2...
 tubuAni  2
 ułąmki i procenty
Bardzo proszę o pomoc, nie wiem jak się oblicza procenty ułamków. Prosiłabym o rozwiązanie: \frac{25}{150} \cdot 100 \% to będzie \frac{1}{6} \cdot 100 \% a wynik?...
 zgredekk  1
 
Atom [Regulamin Forum] [Instrukcja LaTeX-a] [Poradnik] [Reklama] [Kontakt]
Copyright (C) ParaRent.com