В алгебре разложение в частичные дроби или разложение в частичные дроби ( рациональной дроби то есть дроби , у которой числитель и знаменатель являются полиномами ) — это операция, заключающаяся в выражении дроби в виде суммы многочлена (возможно, нулевого). ) и одну или несколько дробей с более простым знаменателем. [1]
В символах разложение в простейшие дроби рациональной дроби вида где f и g — полиномы, это его выражение в виде
где
p ( x ) является полиномом, и для каждого j ,
знаменатель а g j ( x ) является степенью ( неприводимого многочлена который не разлагается на многочлены положительных степеней),
числитель . f j ( x ) является многочленом меньшей степени, чем степень этого неприводимого многочлена
Индуктивно используя предыдущее разложение, получаем дроби вида с где G — неприводимый многочлен . Если k > 1 , можно выполнить дальнейшее разложение, используя тот факт, что неприводимый многочлен является многочленом без квадратов , то есть: является наибольшим общим делителем многочлена и его производной . Если является производной G , тождество Безу дает полиномы C и D такие, что и поэтому Евклидово деление к дает полиномы и такой, что и Параметр каждый получает
с
Итерация этого процесса с помощью на месте приводит в конечном итоге к следующей теореме.
Теорема . Пусть f и g ненулевые полиномы над полем K. — Запишите g как произведение степеней различных неприводимых многочленов:
Существуют (уникальные) полиномы b и a ij с deg a ij < deg p i такие, что
Если deg f < deg g , то b = 0 .
Единственность можно доказать следующим образом. Пусть d = max(1 + deg f , deg g ) . В совокупности b и aij имеют коэффициентов d . Форма разложения определяет линейную карту векторов коэффициентов в полиномы f степени меньше d . Доказательство существования означает, что это отображение сюръективно . Поскольку два векторных пространства имеют одинаковую размерность, отображение также инъективно , что означает уникальность разложения. Кстати, это доказательство порождает алгоритм вычисления разложения с помощью линейной алгебры .
Если K — поле комплексных чисел , из фундаментальной теоремы алгебры следует, что все имеют pi степень один, а все числители являются константами. Когда K является полем действительных чисел , некоторые из pi могут быть квадратичными , поэтому при разложении частных дробей также могут встречаться факторы линейных многочленов по степеням квадратичных многочленов.
Теорема . Пусть f и g ненулевые полиномы над полем K. — Запишите g как произведение степеней попарно взаимно простых многочленов, не имеющих кратного корня в алгебраически замкнутом поле:
Существуют (уникальные) полиномы b и cij такие , что deg cij , < deg p i что
где обозначает производную
Это сводит вычисление первообразной рациональной функции к интегрированию последней суммы, которая называется логарифмической частью , поскольку ее первообразная представляет собой линейную комбинацию логарифмов.
Существуют различные методы вычисления разложения в теореме. Один простой способ называется . методом Эрмита Во-первых, b немедленно вычисляется путем евклидова деления f на g , что сводится к случаю, когда deg( f ) < deg( g ). Далее, известно deg( cij как ) < deg( pi ) записать можно , поэтому каждый cij многочлен с неизвестными коэффициентами. Приведя сумму дробей в теореме к общему знаменателю и приравняв коэффициенты при каждой степени x в двух числителях, получим систему линейных уравнений , решая которую можно получить искомые (единственные) значения неизвестных коэффициентов. .
Даны два многочлена и , где α n — различные константы и deg P < n , явные выражения для простейших дробей можно получить, предположив, что
и определение констант c i путем замены, путем приравнивания коэффициентов членов, включающих степени x , или иным образом. (Это вариант метода неопределенных коэффициентов . После того как обе части уравнения умножены на Q(x), одна часть уравнения представляет собой конкретный многочлен, а другая сторона — многочлен с неопределенными коэффициентами. Равенство имеет вид возможно только тогда, когда коэффициенты при одинаковых степенях x равны. Это дает n уравнений с n неизвестными, c k .)
а затем найдите простейшие дроби для оставшейся дроби (которая по определению удовлетворяет условию deg R < deg Q ).
Если Q ( x ) содержит множители, неприводимые по данному полю, то числитель N ( x ) каждой дроби с таким множителем F ( x ) в знаменателе нужно искать в виде многочлена с deg N < deg F , а не как константа. Например, возьмем следующее разложение по R :
Предположим Q ( Икс ) знак равно ( Икс - α ) р S ( x ) и S ( α ) ≠ 0 то есть α является корнем Q ( x ) кратности r , . При разложении простейших дробей r первых степеней ( x − α ) будут выступать в качестве знаменателей простейших дробей (возможно, с нулевым числителем). Например, если S ( x ) = 1, разложение на простейшие дроби имеет вид
Что касается комплексных чисел, предположим, что f ( x ) — рациональная правильная дробь, которую можно разложить на
Позволять
тогда согласно единственности ряда Лорана , a ij является коэффициентом члена ( x − x i ) −1 в разложении Лорана g ij ( x ) относительно точки x i , т. е. ее вычет
Это определяется непосредственно формулой
или в частном случае, когда x i является простым корнем,
Позволять быть любой рациональной функцией над действительными числами . Другими словами, предположим, что существуют действительные полиномиальные функции и , такой, что
где , , действительные числа с , и , являются положительными целыми числами. Условия являются факторами линейными которые соответствуют действительным корням и условия являются неприводимыми квадратичными факторами которые соответствуют парам комплексно -сопряженных корней .
Тогда разложение на частные дроби следующее:
Здесь P ( x ) — полином (возможно, нулевой), а A ir , B ir и C ir — действительные константы. Константы можно найти несколькими способами.
Самый простой метод — умножить на общий знаменатель q ( x ). Затем мы получаем уравнение полиномов, левая часть которого равна просто p ( x ), а правая часть имеет коэффициенты, которые являются линейными выражениями констант A ir , B ir и C ir . Поскольку два многочлена равны тогда и только тогда, когда равны их соответствующие коэффициенты, мы можем приравнять коэффициенты одинаковых членов. Таким образом получается система линейных уравнений, всегда имеющая единственное решение. Это решение можно найти любым из стандартных методов линейной алгебры . Его также можно найти с пределами (см. пример 5 ).
Фактор х 2 − 4 x + 8 неприводимо над действительными числами, так как его дискриминант (−4) 2 − 4×8 = −16 отрицательно. Таким образом, разложение частных дробей по действительным числам имеет вид
Умножение на x 3 − 4x 2 + 8 x имеем полиномиальное тождество
Взяв x = 0, мы видим, что 16 = 8 A , поэтому A = 2. Сравнивая x 2 коэффициентов, мы видим, что 4 = A + B = 2 + B , поэтому B = 2. Сравнивая линейные коэффициенты, мы видим, что −8 = −4 A + C = −8 + C , поэтому C = 0. В целом,
Дробь можно полностью разложить с помощью комплексных чисел . Согласно основной теореме алгебры каждый комплексный многочлен степени n имеет n (комплексных) корней (некоторые из которых могут повторяться). Вторую фракцию можно разложить на:
Умножение на знаменатель дает:
Приравнивая коэффициенты при x и постоянные (по отношению к x ) коэффициенты обеих частей этого уравнения, получаем систему двух линейных уравнений относительно D и E , решением которой является
Таким образом, мы имеем полное разложение:
Можно также напрямую вычислить A , D и E с помощью метода вычетов (см. также пример 4 ниже).
Умножив на знаменатель в левой части, получим полиномиальное тождество
Теперь мы используем разные значения x для вычисления коэффициентов:
Решая это, мы имеем:
Используя эти значения, мы можем написать:
Сравниваем коэффициенты при x 6 и х 5 с обеих сторон, и мы имеем:
Поэтому:
что дает нам B = 0. Таким образом, разложение на частичные дроби определяется следующим образом:
Альтернативно, вместо разложения можно получить другие линейные зависимости от коэффициентов, вычисляя некоторые производные при в приведенном выше полиномиальном тождестве. (Для этого напомним, что производная в точке x = a от ( x − a ) м p ( x ) исчезает, если m > 1, и равно p ( a ) для m = 1.) Например, первая производная при x = 1 дает
Таким образом, f ( z ) можно разложить на рациональные функции, знаменателями которых являются z +1, z −1, z +i, z −i. Поскольку каждый член имеет степень единица, −1, 1, − i и i являются простыми полюсами.
Следовательно, остатки, связанные с каждым полюсом, заданные формулой
Разложение рациональной функции в частные дроби можно связать с теоремой Тейлора следующим образом. Позволять
быть действительными или комплексными полиномами
Предположим, что
удовлетворяет
Также определите
Тогда у нас есть
тогда и только тогда, когда каждый полином – полином Тейлора порядка в точку :
Теорема Тейлора (в вещественном или комплексном случае) затем обеспечивает доказательство существования и единственности разложения на частные дроби, а также характеристику коэффициентов.
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 23B9DA22B0374CF1340606F71FA0DEBE__1705963680 URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Partial_fraction_decomposition Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Partial fraction decomposition - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)