解決済み

数学の質問です。

部分分数分解に就いてなのですが、部分分数分解に就いて調べて見ると、分子の次数が分母の次数より1小さいものしか部分分数分解して居ない様に思えるのですが、これはなぜでしょうか?分子の次数が分母の次数と等しかったり、分子の次数が分母の次数より1大きいと部分分数分解ができないのでしょうか?また、P(x),Q(x)P(x),Q(x)を1次式とする時、例えば、P(x)Q(x)2\frac{○}{P(x){Q(x)}^2}を部分分数分解すると、P(x)+Q(x)+Q(x)2\frac{○}{P(x)}+\frac{○}{Q(x)}+\frac{○}{{Q(x)}^2}となるようですが、なぜ、分子がこのような形になると、分かるのでしょうか?P(x)+Q(x)2\frac{○}{P(x)}+\frac{○}{{Q(x)}^2}P(x)+Q(x)\frac{○}{P(x)}+\frac{○}{Q(x)}P(x)Q(x)+Q(x)\frac{○}{P(x)Q(x)}+\frac{○}{Q(x)}などの形はありえないのでしょうか?

部分分数分解は学校でほんの少ししか触れて居なく、部分分数分解が良く分かって居ない状態なので、詳しく教えて頂けると嬉しいです。

回答宜しく願います。

ベストアンサー

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こんにちは.お答えしましょう.


1. 分子の次数が分母の次数より1小さいものしか部分分数分解して居ない様に思えるのですが、これはなぜでしょうか?

→ 基本的に分子の次数が分母の次数より小さいものだけが出題されます.分子の次数の方が大きいときは帯分数に直すことで,分子の次数が小さい場合に帰着できるからです.例えば

x3+2x2+3x+2=x+2x+2x2+3x+2\dfrac{x^3+2}{x^2+3x+2} = x + \dfrac{-2x+2}{x^2+3x+2}

とできますね.


2. P(x)Q(x)2\dfrac{\circ}{P (x) Q(x)^2} を部分分数分解すると……

→ 分子によっては 1P(x)+1Q(x)2\dfrac{1}{P(x)} + \dfrac{1}{Q(x)^2} の形に分解されることもあります.

例えば

x2+5x+5(x+1)(x+2)2=1x+1+1(x+2)2\dfrac{x^2+5x+5}{(x+1)(x+2)^2} = \dfrac{1}{x+1} + \dfrac{1}{(x+2)^2}

です.

ただ,視点を変えると 0x+2\dfrac{0}{x+2} という項が隠れていると考えてもよいと思えませんか?

こうして考えると必ず P(x)+Q(x)+Q(x)2\dfrac{\circ}{P(x)} + \dfrac{\circ}{Q(x)} + \dfrac{\circ}{Q(x)^2} という形になると言えます.


ただし P(x)Q(x)\dfrac{\circ}{P(x) Q(x)} の形が出てくることがないです.なぜなら P(x)Q(x)\dfrac{\circ}{P(x) Q(x)} はさらに部分分数分解できる形だからです.



一般的に,分母を完全に因数分解したときに登場する多項式が部分分数分解に登場します.

因数分解したとき nn 乗の形で登場した場合は,22 乗,……,nn 乗も追加で登場します.


ちょっとわかりくいと思うので,例をいくつか書きます.

分母が x3+3x2+2x=x(x+1)(x+2)x^3+3x^2+2x=x(x+1)(x+2) の場合は,1x,1x+1,1x+2\dfrac{1}{x} , \dfrac{1}{x+1} , \dfrac{1}{x+2} が登場します.

分母が x3+2x2+x=x(x+1)2x^3+2x^2+x = x(x+1)^2 の場合は,1x,1x+1,1(x+1)2\dfrac{1}{x}, \dfrac{1}{x+1}, \dfrac{1}{(x+1)^2} が登場します.

分母が x(x+1)2(x+2)2x(x+1)^2 (x+2)^2 の場合は,1x,1x+1,1(x+1)2,1x+2,1(x+2)2\dfrac{1}{x},\dfrac{1}{x+1} , \dfrac{1}{(x+1)^2}, \dfrac{1}{x+2} , \dfrac{1}{(x+2)^2} が登場します.

分母が x(x+1)3x(x+1)^3 の場合は,1x,1x+1,1(x+1)2,1(x+1)3\dfrac{1}{x},\dfrac{1}{x+1},\dfrac{1}{(x+1)^2},\dfrac{1}{(x+1)^3} が登場します.


詳しくは

部分分数分解の3通りの方法 https://manabitimes.jp/math/755

ヘビサイドの展開定理 https://manabitimes.jp/math/1221

に色々書いてあるのでご覧ください.ヘビサイドの展開定理はちょっと難しい記事なので,「へ~すごいな~」くらいのテンションで読んでみてください.

返信(2件)

回答ありがとうございます。


1に就いて

そうなんですね。分かりました!


2に就いて

部分分数分解に就いて、定理1(https://manabitimes.jp/math/1221に載って居るもの)が成り立つのですね!因みに、定理1の高校生でも理解できる証明はありますか?高校数学では理解できないのならそう言って貰って大丈夫です!高校数学範囲内で理解できるなら頑張って理解しますし、高校数学範囲内で理解できないならきっぱり諦めて、大学に行ってから勉強しますので!

すみません!上記の質問に答えて頂けると幸いです。

そのほかの回答(1件)

Q(x)Q(x)の因数全ての組み合わせの分母をだして、分子がP(x)P(x)となるように調整するのが部分分数展開です。

そのため分子が0となる項も存在するわけで、その場合はあなたが上げたような形になることもあります。


連立方程式をつかって計算できるので、Q(x)Q(x)の因数が少ないときは簡単に計算できますが、多いときは行列などによる計算が必要になります。

証明も同様です。

返信(9件)

https://manabitimes.jp/math/1221に載って居る定理1の高校生でも理解できる証明はありますか?

因みに、証明も同様と言うのは定理1の証明を連立方程式や行列を使って行えると言うことですか?私にはどのように考えれば良いか全く分からないのですが、、、

P,QP,Qの次数が増えたら連立方程式を行列計算しての証明になりますね。



行列説明するの面倒なので(習わないでしょうし)、字数少な目で説明しますね。

P(x)=P1x2+P2x+P3,Q(x)=(q1x+q2)2(q3x+q4)P(x)=P_1x^2+P_2x+P_3, Q(x)=(q_1x+q_2)^2(q_3x+q_4)とします。

=Aq1x+q2+B(q1x+q2)2+Cq3x+q4=A(q1x+q2)(q3x+q4)+B(q3x+q4)+C(q1x+q2)2Q(x)=(q1q3+q12)A+q12CQ(x)x2=+(q2q3+q1q4)A+q3B+2q1q2CQ(x)x=+(q2q4A+q4B+q22vC)Q(x)\begin{align*}&\phantom{=}\dfrac{A}{q_1x+q_2}+\dfrac{B}{(q_1x+q_2)^2}+\dfrac{C}{q_3x+q_4}\\&=\dfrac{A(q_1x+q_2)(q_3x+q_4)+B(q_3x+q_4)+C(q_1x+q_2)^2}{Q(x)}\\&=\dfrac{(q_1\cdot q_3+q_1^2)\cdot A+q_1^2\cdot C}{Q(x)}x^2\\&\phantom{=}+\dfrac{(q_2\cdot q_3+q_1\cdot q_4)\cdot A+q_3\cdot B+2q_1\cdot q_2\cdot C}{Q(x)}x\\&\phantom{=}+\dfrac{(q_2\cdot q_4\cdot A+q_4\cdot B+q_2^2vC)}{Q(x)}\end{align*}


よって連立方程式

{(q1q3+q12)A+q12C=P1(q2q3+q1q4)A+q3B+2q1q2C=P2q2q4A+q4B+q22C=P3\left\{\begin{aligned}(q_1\cdot q_3+q_1^2)\cdot A+q_1^2\cdot C&=P_1\\(q_2\cdot q_3+q_1\cdot q_4)\cdot A+q_3\cdot B+2q_1\cdot q_2\cdot C&=P_2\\q_2\cdot q_4\cdot A+q_4\cdot B+q_2^2\cdot C&=P_3\end{aligned}\right.

をみたすA,B,CA, B, Cが存在すればいいわけです。これは計算で出せますね。


これを一般的にしたのが定理1です。連立方程式は行列で計算できますから、証明も出来るというわけです。

存在する、というのが定理の主張ですから、A,B,CA, B, CP1,,P3,q1,q4P_1,\cdots,P_3,q_1\cdots, q_4を用いて表せれば証明終了、ということです。

あ、ごめんなさい、リロードしていませんでした、、、

読みますね!

まだ読んで居る途中なのですが、1つ、、、


行列説明するの面倒なので(習わないでしょうし)

→実は数Cに行列が復活しました!!!ただ、数学的な表現の工夫と言う単元に載って居て、共通テストでは出ないですし、全員が履修する必要がある訳ではない単元の様なので、実質復活して居ない様なきもするのですが、、、

行列に就いては定義、和、差、実数倍、積などが教科書に載って居ますね、、、因みに、「数学的な表現の工夫」と言う単元には、データの表現方法、離散グラフ、最短経路、一筆書き、離散グラフと行列の絡みなどが載って居ますよ(^_^)/

補足

隣接行列や行列の冪乗に就いての記述もありました~


これからDoubleExpYuiさんの説明読みますね~

読みました!


理解出来ました。

ありがとうございます。

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