数学研发论坛

 找回密码
 欢迎注册
查看: 577|回复: 8

[提问] 求 x^3/(( x^3-a)^2 + b^2) 的不定积分

[复制链接]
发表于 2019-2-4 18:26:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?欢迎注册

x
\[ \color{black}{{\large\int}\frac{x^3}{\left(x^3-a\right)^2+b^2}\mathrm{d}x} \]
推广自问题:
[提问] 求 x^2/(( x^2-a)^2 + b^2) 的不定积分
https://bbs.emath.ac.cn/thread-5715-1-2.html
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2019-2-5 11:54:13 来自手机 | 显示全部楼层
显然同a+bi的三次方根和它们的共轭相关,https://www.wolframalpha.com/input/?i=integrate+x%5E3%2F((+x%5E3-a)%5E2+%2B+b%5E2)
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
 楼主| 发表于 2019-2-6 17:27:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 葡萄糖 于 2019-2-6 18:58 编辑
mathe 发表于 2019-2-5 11:54
显然同a+bi的三次方根和它们的共轭相关, ...


新春愉快!

目前只找到这两个有初等的原函数:
\[\color{black}{{\large\int}\frac{x^2}{\left(x^3-1\right)^2+1}\mathrm{d}x}\]
\[\color{black}{{\large\int}\frac{x^5}{\left(x^3-1\right)^2+1}\mathrm{d}x}\]

链接好像打不开

\[{\large\int}\frac{x^3}{\left(x^3-1\right)^2+1}\mathrm{d}x\]

\begin{align*}
&&x_1&=\dfrac{\sqrt{3}+1}{2\sqrt[3]{2}}+\dfrac{\sqrt{3}-1}{2\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
&&x_2&=-\dfrac{\sqrt{3}-1}{2\sqrt[3]{2}}+\dfrac{\sqrt{3}+1}{2\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
&&x_3&=-\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}+\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
&&x_4&=-\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}-\dfrac{1}{\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
&&x_5&=-\dfrac{\sqrt{3}-1}{2\sqrt[3]{2}}-\dfrac{\sqrt{3}+1}{2\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
&&x_6&=\dfrac{\sqrt{3}+1}{2\sqrt[3]{2}}-\dfrac{\sqrt{3}-1}{2\sqrt[3]{2}}\mathit{i}\\
\\
&&&x^6-2x^3+2=0
\end{align*}
\begin{align*}
&&{x_1}\!^3-1&=+\,\mathit{i}\\
&&{x_2}\!^3-1&=-\,\mathit{i}\\
&&{x_3}\!^3-1&=+\,\mathit{i}\\
&&{x_4}\!^3-1&=-\,\mathit{i}\\
&&{x_5}\!^3-1&=+\,\mathit{i}\\
&&{x_6}\!^3-1&=-\,\mathit{i}\\
\\
\end{align*}
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2019-2-6 18:13:38 | 显示全部楼层
Mathematica直接返回的结果是:
  1. 1/6 RootSum[  a^2 + b^2 - 2 a #1^3 + #1^6 &, (Log[x - #1] #1)/(-a + #1^3) &]
复制代码

$a^2 + b^2 - 2 a x^3 + x^6 = 0$的六个根是$t_k$。于是积分后,原函数表达就是: \[\frac{1}{6}\sum_{k=1}^6\frac{t_k \log (x-t_k)}{t_k^3-a}\]

点评

把共轭的复数根的结果合并,就可以看成实数形式了。 只是$a+bi$和$a-bi$开三次得到两个根,用实数形式表达不是很方便,需要用到较复杂的三角函数,没有多少实际意义  发表于 2019-2-7 12:12
@葡萄糖 理论上有理式可以通过部分分式分解得到积分结果的实数表示。但复数表示简单对称  发表于 2019-2-6 21:45
我也尝试过了,十分好奇,难道有些实积分的解析值只能用复数表示吗?(纳闷  发表于 2019-2-6 18:18
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2019-2-7 13:45:40 | 显示全部楼层
如果我们假设复数$(r\e^{i\theta_1})^3=a+bi$,并且$\theta_2=\theta_1+{2\pi}/3,\theta_3=\theta_1+{4\pi}/3$
于是$(x^3-a)^2+b^2=0$的六个根就是$r\e^{i\theta_1},r\e^{-i\theta_1},r\e^{i\theta_2},r\e^{-i\theta_2},r\e^{i\theta_3},r\e^{-i\theta_3}$
我们另外记$u_1=\cos(\theta_1),u_2=\cos(\theta_2),u_3=\cos(\theta_3)$,于是$u_1+u_2+u_3=0$
通过待定系数,假设
${x^3}/{(x^3-a)^2+b^2}={s_1x+t_1}/{x^2-2ru_1x+r^2}+{s_2x+t_2}/{x^2-2ru_2x+r^2}+{s_3x+t_3}/{x^2-2ru_3x+r^2}$
可以得出$t_1=t_2=t_3=0$,且
\(\begin{cases}s_1+s_2+s_3=0\\u_1s_1+u_2s_2+u_3s_3=0\\u_2u_3s_1+u_3u_1s_2+u_1u_2s_3=\frac1{4r^2}\end{cases}\)
可以求得
\(\begin{cases}s_1=\frac{1}{4r^2(2u_1^2+u_2u_3)}\\
s_2=\frac{1}{4r^2(2u_2^2+u_1u_3)}\\
s_3=\frac{1}{4r^2(2u_3^2+u_1u_2)}
\end{cases}\)
于是题目变成求积分
\[\sum_{h=1}^3 \int\frac{s_h(x-ru_h)+rs_hu_h}{(x-ru_h)^2+r^2(1-u_h^2)}dx=\sum_{h=1}^3 (\frac12 s_h \ln((x-ru_h^2)^2+r^2(1-u_h^2))+\frac{rs_hu_h}{r\sqrt{1-u_h^2}}\tan^{-1}(\frac{x-ru_h}{r\sqrt{1-u_h^2}}))\]

评分

参与人数 1威望 +1 金币 +1 贡献 +1 经验 +1 鲜花 +1 收起 理由
葡萄糖 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 太精彩了!

查看全部评分

毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
 楼主| 发表于 2019-2-8 11:56:10 | 显示全部楼层
本帖最后由 葡萄糖 于 2019-2-8 19:04 编辑
mathe 发表于 2019-2-7 13:45
如果我们假设复数$(r\e^{i\theta_1})^3=a+bi$,并且$\theta_2=\theta_1+{2\pi}/3,\theta_3=\theta_1+{4\pi}/3$ ...


找一个例子,结果挺漂亮的
\begin{gather*}
\Large{\left(x^3-1\right)^2+1}\\
\\
\bigg(x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg)
\bigg(x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{12}+\frac{2\pi}{3}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg)
\bigg(x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{12}+\frac{4\pi}{3}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg) \\
\bigg(x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg)
\bigg(x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\,\frac{\pi}{4}\,\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg)
\bigg(x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{5\pi}{12}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}\bigg)
\end{gather*}
\[ \Large{\color{black}{\frac{x^3}{\left(x^3-1\right)^2+1}}} \]

\begin{gather*}
\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{5\pi}{12}\right)x}{x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}}  
+\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)x}{x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}}  
-\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}\cos\left(\frac{5\pi}{12}\right)x+\sqrt[3]{\,2\,}}\\

\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{5\pi}{12}\right)x}{\left(x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2}  
+\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{4}\right)^2}  
-\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{5\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{5\pi}{12}\right)^2}\\

\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{\left(x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2}  
+\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{4}\right)^2}  
-\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2}
\end{gather*}

\begin{align*}
&&&{\Large\int}\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{\left(x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\
&&\large{=}\quad&\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{12}\right){\Large\int}\dfrac{x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}}{\left(x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\
&&\large{=}\quad&\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{6}\sin\left(\frac{\pi}{12}\right)\ln\left(x^2-2\sqrt[6]{\,2\,}x\cos\frac{\pi}{12}+\sqrt[3]{\,2\,}\right)\\
&&&\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)\arctan\left(\frac{x-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}}{\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}}\right)\\
\end{align*}

\begin{align*}   
&&&{\Large\int}\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{4}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\   
&&\large{=}\quad&\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right){\Large\int}\dfrac{x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}-\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{4}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\   
&&\large{=}\quad&+\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{6}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)\ln\left(x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}x\cos\frac{\pi}{4}+\sqrt[3]{\,2\,}\right)\\   
&&&-\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\arctan\left(\frac{x+\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{4}}{\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{4}}\right)\\   
\end{align*}

\begin{align*}  
&&&-{\Large\int}\dfrac{\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)x}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\  
&&\large{=}\,\,&-\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right){\Large\int}\dfrac{x+\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}-\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}}{\left(x+\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}\right)^2+\left(\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}\right)^2}\large\mathrm{d}x\\  
&&\large{=}\,\,&-\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{6}\cos\left(\frac{\pi}{12}\right)\ln\left(x^2+2\sqrt[6]{\,2\,}x\sin\frac{\pi}{12}+\sqrt[3]{\,2\,}\right)\\  
&&&+\frac{\sqrt[6]{\,2\,}}{3}\sin\left(\frac{\pi}{12}\right)\arctan\left(\frac{x+\sqrt[6]{\,2\,}\sin\frac{\pi}{12}}{\sqrt[6]{\,2\,}\cos\frac{\pi}{12}}\right)\\  
\end{align*}
毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
您需要登录后才可以回帖 登录 | 欢迎注册

本版积分规则

小黑屋|手机版|数学研发网 ( 苏ICP备07505100号 )

GMT+8, 2019-8-24 08:37 , Processed in 0.064479 second(s), 21 queries .

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表