部分分式分解(partial fraction decomposition)
像 (3x + 5) / (x^2 - x - 2) 這樣的多項式之比,作為一整塊來積分看著很難。部分分式分解的技巧,是把它拆回若干更簡單的部分之和——這些分式的分母是原分母的基本因子——而每一塊你早就會積了。它正是「通分相加」的逆操作,也是讓每個有理函數都能用初等方式積出來的主力工具。
做法是:先確保分子次數低於分母(若不是,先做多項式長除法,把多項式部分放到一邊)。把分母分解成一次因子和不可約二次因子。然後每個因子寫一項:一次因子 (x - a) 貢獻 A / (x - a);重根因子 (x - a)^2 貢獻 A / (x - a) 加 B / (x - a)^2;不可約二次因子 (x^2 + bx + c) 貢獻 (Bx + C) / (x^2 + bx + c)。你通過去分母後比較係數,或代入方便的 x 值,解出待定常數 A、B、C。得到的每一塊都積成對數、反正切或冪函數。
這就是有理函數從不需要任何奇異東西的原因——結果總是對數、反正切和有理項的組合,所以有理函數總有初等原函數。它也是拉普拉斯逆變換的基礎:你把傳遞函數拆成部分分式,逐項讀出時域響應。初學者唯一容易栽跟頭的地方,是忘了重根因子要為直到其重數的每個冪次都寫一項,以及不可約二次因子的分子是一次式而不只是常數。
(3x + 5) / (x^2 - x - 2) = (3x + 5) / [(x - 2)(x + 1)] = A / (x - 2) + B / (x + 1)。去分母得 A = 11/3,B = -2/3,於是積分為 (11/3) ln|x - 2| - (2/3) ln|x + 1| + C。
把一個彆扭的分式拆成兩個簡單分式,就把積分變成了對數之和。
只有當分子次數低於分母次數後,分解才適用。若分式是假分式(分子次數不低於分母),先做除法;否則解出的常數會自相矛盾,方法看似失效。