Calculus - Partial Fractions
Can someone please demonstrate the indefinite integral of (x^4-5x^3+6x^2-18)/(x^3+3x^2) dx
Thank you

Respuesta :

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Answer:

[tex]\displaystyle \int {\frac{x^4 - 5x^3 + 6x^2 - 18}{x^3 + 3x^2}} \, dx = 28ln|x + 3| + 2ln|x| + \frac{x^2}{2} + \frac{6}{x} - 8x + C[/tex]

General Formulas and Concepts:

Pre-Algebra

Order of Operations: BPEMDAS

  1. Brackets
  2. Parenthesis
  3. Exponents
  4. Multiplication
  5. Division
  6. Addition
  7. Subtraction
  • Left to Right  

Distributive Property

Equality Properties

  • Multiplication Property of Equality
  • Division Property of Equality
  • Addition Property of Equality
  • Subtraction Property of Equality

Algebra I

  • Terms/Coefficients
  • Factoring
  • Exponential Rule [Rewrite]:                                                                           [tex]\displaystyle b^{-m} = \frac{1}{b^m}[/tex]

Algebra II

  • Long Division

Pre-Calculus

  • Partial Fraction Decomposition

Calculus

Differentiation

  • Derivatives
  • Derivative Notation

Basic Power Rule:

  1. f(x) = cxⁿ
  2. f’(x) = c·nxⁿ⁻¹

Integration

  • Integrals
  • Indefinite Integrals
  • Integration Constant C

Integration Rule [Reverse Power Rule]:                                                               [tex]\displaystyle \int {x^n} \, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1} + C[/tex]

Integration Property [Multiplied Constant]:                                                         [tex]\displaystyle \int {cf(x)} \, dx = c \int {f(x)} \, dx[/tex]

Integration Property [Addition/Subtraction]:                                                       [tex]\displaystyle \int {[f(x) \pm g(x)]} \, dx = \int {f(x)} \, dx \pm \int {g(x)} \, dx[/tex]

U-Substitution

Logarithmic Integration

Step-by-step explanation:

Step 1: Define

Identify

[tex]\displaystyle \int {\frac{x^4 - 5x^3 + 6x^2 - 18}{x^3 + 3x^2}} \, dx[/tex]

Step 2: Partial Fraction Decomposition

  1. [Integrand] Factor:                                                                                         [tex]\displaystyle \int {\frac{x^4 - 5x^3 + 6x^2 - 18}{x^2(x + 3)}} \, dx[/tex]
  2. [Integrand] Simplify [Long Division, See Attachment]:                               [tex]\displaystyle \frac{x^4 - 5x^3 + 6x^2 - 18}{x^2(x + 3)} = x - 8 + \frac{30x^2 - 18}{x^2(x + 3)}[/tex]
  3. Split:                                                                                                               [tex]\displaystyle \frac{30x^2 - 18}{x^2(x + 3)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x^2} + \frac{C}{x + 3}[/tex]
  4. Simplify [Common Denominator]:                                                                 [tex]\displaystyle 30x^2 - 18 = Ax(x + 3) + B(x + 3) + Cx^2[/tex]
  5. [Decomp] Substitute in x = -3:                                                                       [tex]\displaystyle 30(-3)^2 - 18 = A(-3)(-3 + 3) + B(-3 + 3) + C(-3)^2[/tex]
  6. Simplify:                                                                                                         [tex]\displaystyle 252 = 9C[/tex]
  7. Solve:                                                                                                             [tex]\displaystyle C = 28[/tex]
  8. [Decomp] Substitute in x = 0:                                                                       [tex]\displaystyle 30(0)^2 - 18 = A(0)(0 + 3) + B(0 + 3) + C(0)^2[/tex]
  9. Simplify:                                                                                                         [tex]\displaystyle -18 = 3B[/tex]
  10. Solve:                                                                                                             [tex]\displaystyle B = -6[/tex]
  11. [Decomp] Coefficient Method:                                                                     [tex]\displaystyle 3Ax + Bx = 0x[/tex]
  12. [Coefficient Method] Substitute in B:                                                           [tex]\displaystyle 3A - 6 = 0[/tex]
  13. [Coefficient Method] Solve:                                                                         [tex]\displaystyle A = 2[/tex]
  14. [Split Integrand] Substitute in variables:                                                     [tex]\displaystyle \frac{x^4 - 5x^3 + 6x^2 - 18}{x^2(x + 3)} = x - 8 + \frac{2}{x} - \frac{6}{x^2} + \frac{28}{x + 3}[/tex]

Step 3: Integrate Pt. 1

  1. [Integral] Substitute in integrand [Split Integrand]:                                     [tex]\displaystyle \int {\bigg( x - 8 + \frac{2}{x} - \frac{6}{x^2} + \frac{28}{x + 3} \bigg)} \, dx[/tex]
  2. [Integral] Rewrite [Integration Property - Addition/Subtraction]:               [tex]\displaystyle \int {x} \, dx - \int {8} \, dx + \int {\frac{2}{x}} \, dx - \int {\frac{6}{x^2}} \, dx + \int {\frac{28}{x + 3}} \, dx[/tex]
  3. [Integrals] Rewrite [Integration Property - Multiplied Constant]:               [tex]\displaystyle \int {x} \, dx - 8\int {} \, dx + 2\int {\frac{1}{x}} \, dx - 6\int {\frac{1}{x^2}} \, dx + 28\int {\frac{1}{x + 3}} \, dx[/tex]
  4. [4th Integrand] Rewrite [Exponential Rule - Rewrite]:                                [tex]\displaystyle \int {x} \, dx - 8\int {} \, dx + 2\int {\frac{1}{x}} \, dx - 6\int {x^{-2}} \, dx + 28\int {\frac{1}{x + 3}} \, dx[/tex]
  5. [1st/2nd/4th Integral] Reverse Power Rule:                                                 [tex]\displaystyle \frac{x^2}{2} - 8x + 2\int {\frac{1}{x}} \, dx - 6(\frac{-1}{x}) + 28\int {\frac{1}{x + 3}} \, dx[/tex]

Step 4: Integrate Pt. 2

Identify variables for u-substitution.

  1. Set u:                                                                                                             [tex]\displaystyle u = x + 3[/tex]
  2. [u] Differentiate [Basic Power Rule]:                                                             [tex]\displaystyle du = dx[/tex]

Step 5: Integrate Pt. 3

  1. [2nd Integral] U-Substitution:                                                                       [tex]\displaystyle \frac{x^2}{2} - 8x + 2\int {\frac{1}{x}} \, dx - 6(\frac{-1}{x}) + 28\int {\frac{1}{u}} \, du[/tex]
  1. [Integrals] Logarithmic Integration:                                                               [tex]\displaystyle \frac{x^2}{2} - 8x + 2ln|x| - 6(\frac{-1}{x}) + 28ln|u| + C[/tex]
  2. Back-Substitute:                                                                                             [tex]\displaystyle \frac{x^2}{2} - 8x + 2ln|x| - 6(\frac{-1}{x}) + 28ln|x + 3| + C[/tex]
  3. Simplify:                                                                                                         [tex]\displaystyle 28ln|x + 3| + 2ln|x| + \frac{x^2}{2} + \frac{6}{x} - 8x + C[/tex]

Topic: AP Calculus AB/BC (Calculus I/I + II)

Unit: Integration

Book: College Calculus 10e

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