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author | Andreas Müller <andreas.mueller@ost.ch> | 2022-05-23 12:36:40 +0200 |
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committer | Andreas Müller <andreas.mueller@ost.ch> | 2022-05-23 12:36:40 +0200 |
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more rational integration stuff
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diff --git a/buch/chapters/060-integral/irat.tex b/buch/chapters/060-integral/irat.tex index 2d03b7b..4c472ea 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/irat.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/irat.tex @@ -83,7 +83,7 @@ kann dazu die Regel \frac{A_{ik}}{(-k+1)(x-\beta_i)^{k-1}} \] verwendet werden. -Diese Stammfunktion liegt wieder in $\mathbb{Q}(x)$ liegt. +Diese Stammfunktion liegt wieder in $\mathscr{K}(x)$ liegt. % % Körpererweiterungen @@ -105,7 +105,7 @@ Sie hat die Form \[ \sum_{i=1}^m A_{i1} \log(x-\beta_i), \] -wobei $A_{i1}\in\mathbb{Q}$ ist. +wobei $A_{i1}\in\mathscr{K}$ ist. Setzt man alle vorher schon gefundenen Teile der Stammfunktion zusammen, kann man sehen, dass die Stammfunktion die Form @@ -114,10 +114,10 @@ F(x) = v_0(x) + \sum_{i=1}^m c_i \log v_i(x) \label{buch:integral:irat:eqn:liouvillstammfunktion} \end{equation} haben muss. -Dabei ist $v_0(x)\in\mathbb{Q}(x)$ und besteht aus der Stammfunktion +Dabei ist $v_0(x)\in\mathscr{K}(x)$ und besteht aus der Stammfunktion des polynomiellen Teils und den Stammfunktionen der Terme der Partialbruchzerlegung mit Exponenten $k>1$. Die logarithmischen Terme bestehen aus den Konstanten $c_i=A_{i1}$ -und den Logarithmusfunktionen $v_i(x)=x-\beta_i\in\mathbb{Q}(x)$. +und den Logarithmusfunktionen $v_i(x)=x-\beta_i\in\mathscr{K}(x)$. Die Funktion $f(x)$ muss daher die Form \[ f(x) diff --git a/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex b/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex index 71eb39b..38b1504 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex @@ -5,4 +5,114 @@ % \subsection{Integranden der Form $R(x,\sqrt{ax^2+bx+c})$ \label{buch:integral:subsection:rxy}} +Für rationale Funktionen lässt sich immer eine Stammfunktion in einem +Erweiterungskörper angeben, der durch hinzufügen einzelner logarithmischer +Funktionen entsteht. +Die dabei verwendeten Techniken lassen sich verallgemeinern. +Zur Illustration und Motivation des später beschriebenen Risch-Algorithmus +stellen wir uns in diesem Abschnitt der Aufgabe, Integrale +mit einem Integranden zu berechnen, der eine rationale Funktion von $x$ +und $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist. + +% +% Aufgabenstellung +% +\subsubsection{Aufgabenstellung} +Eine rationale Funktion von $x$ und $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist ein +Element des Differentialkörpers, den man aus $\mathbb{Q}(x)$ durch +hinzufügen des Elementes +\[ +y=\sqrt{ax^2+bx+c} +\] +erhält. +Eine Funktion $f\in\mathbb{Q}(x,y)$ kann geschrieben werden als Bruch +\begin{equation} +f += +\frac{ +\tilde{p}_0 + \tilde{p}_1y + \dots + \tilde{p}_n y^n +}{ +\tilde{q}_0 + \tilde{q}_1y + \dots + \tilde{q}_m y^m +} +\label{buch:integral:sqrat:eqn:ftilde} +\end{equation} +mit rationalen Koeffizienten $\tilde{p}_i,\tilde{q}_i\in\mathbb{Q}(x)$. +Gesucht ist eine Stammfunktion von $f$. + +% +% Algebraische Vereinfachungen +% +\subsubsection{Algebraische Vereinfachungen} +Da $x^2=ax^2+bx+c$ ein Polynom ist, sind auch alle geraden Potenzen +von $y$ Polynome in $\mathbb{Q}(x)$, +und die ungeraden Potenzen von $y$ lassen sich als Produkt aus einem +Polynom und dem Faktor $y$ schreiben. +Der Integrand~\eqref{buch:integral:sqrat:eqn:ftilde} +lässt sich daher vereinfachen zu einem Bruch der Form +\begin{equation} +f(x) += +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y}, +\label{buch:integral:sqrat:eqn:moebius} +\end{equation} +wobei $p_i$ und $q_i$ rationale Funktionen in $\mathbb{Q}(x)$ sind. + +% +% Rationalisieren +% +\subsubsection{Rationalisieren} +Unschön an der Form~\eqref{buch:integral:sqrat:eqn:moebius} ist die +Tatsache, dass $y$ sowohl im Nenner wie auch im Zähler auftreten kann. +Da aber $y$ die quadratische Identität $y^2=ax^2+bx+c$ erfüllt, +kann das $y$ im Nenner durch Erweitern mit $q_0-q_1y$ zum verschwinden +gebracht werden. +Die Rechnung ergibt +\begin{align*} +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y} +&= +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y} +\cdot +\frac{q_0-q_1y}{q_0-q_1y} += +\frac{(p_0+p_1y)(q_0-q_1y)}{q_0^2-q_1^2y^2} +\\ +&= +\frac{p_0q_0-p_1q_1(ax^2+bx+c)}{q_0^2-q_1^2(ax^2+bx+c)} ++ +\frac{q_0p_1-q_1p_0}{q_0^2-q_1^2(ax^2+bx+c)} y. +\end{align*} +Die Quotienten enthalten $y$ nicht mehr, sind also in $\mathbb{Q}(x)$. +In der späteren Rechnung stellt sich heraus, dass es praktischer ist, +das $y$ im Nenner zu haben, was man durch erweitern mit $y$ wieder +unter Ausnützung von $y^2=ax^2+bx+c$ erreichen kann. +Die zu integrierende Funktion kann also in der Form +\begin{equation} +f(x) += +W_1 + W_2\frac{1}{y} +\end{equation} +geschrieben werden mit rationalen Funktionen +$W_1,W_2\in\mathbb{Q}(x)$. +Eine Stammfunktion von $W_1$ kann mit der Methode von +Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:rationalefunktionen} +gefunden werden. +Im Folgenden kümmern wir uns daher nur noch um $W_1$. + +\subsubsection{Polynomdivision} + +\subsubsection{Integranden der Form $p(x)/y$} + +\subsubsection{Partialbruchzerlegung} + +\begin{equation} +\int +\frac{1}{(x-\alpha)^k \sqrt{ax^2+bx+c}} +\label{buch:integral:sqrat:eqn:2teart} +\end{equation} + +\subsubsection{Integrale der Form \eqref{buch:integral:sqrat:eqn:2teart}} + + + + |