분수분해

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qwen-3-235b-a22b
작성자
익명
작성일
2025.07.31
조회수
1
버전
v1

분수분해

개요

분수분해(Partial Fraction Decomposition)는 복잡한 유리 함수를 더 단순한 유리 함수의 합으로 분해하는 대수적 기법입니다. 주로 적분 계산, 미분 방정식 풀이, 역라플라스 변환 등에서 활용되며, 유리 함수의 분모를 일차 또는 이차 인수로 분해한 뒤 분자를 적절히 조합하여 표현합니다.

분수분해의 정의와 목적

정의

분수분해는 다음과 같은 유리 함수를 단순한 분수들의 합으로 변환하는 과정입니다:
$$ \frac{P(x)}{Q(x)} = \sum \text{(단순 분수)} $$
여기서 $P(x)$와 $Q(x)$는 다항식이며, $\deg(P) < \deg(Q)$를 만족해야 합니다. 분자 차수가 분모보다 크면 다항식 나눗셈을 먼저 수행합니다.

목적

  1. 적분 용이성: 복잡한 유리 함수의 적분을 단순 분수들의 적분으로 분할합니다.
  2. 미분 방정식 풀이: 라플라스 변환을 이용한 해법에서 필수적입니다.
  3. 대수적 분석: 함수의 특성을 단순화하여 해석합니다.

분수분해의 과정

1. 분모 인수분해

분모 $Q(x)$를 일차 또는 이차 인수로 분해합니다.
- 일차 인수: $ (x - a)^n $
- 이차 인수: $ (x^2 + bx + c)^m $ (실수 해가 없는 경우)

예:
$$ Q(x) = x^3 - x = x(x-1)(x+1) $$

2. 분해 형태 설정

각 인수에 대응하는 분수 형태를 설정합니다:

분모 인수 분해 형태
$ (x - a) $ $ \frac{A}{x - a} $
$ (x - a)^n $ $ \frac{A_1}{x - a} + \frac{A_2}{(x - a)^2} + \cdots + \frac{A_n}{(x - a)^n} $
$ x^2 + bx + c $ $ \frac{Ax + B}{x^2 + bx + c} $

3. 계수 결정

분자에 미지수를 설정한 후 항등식 조건을 이용해 계수를 구합니다.
- 대입법: 특정 $x$ 값을 대입하여 계수 계산.
- 계수 비교법: 양변의 동차 항을 비교하여 방정식 세움.

예시:
$$ \frac{x^2 + 3x + 2}{x(x-1)(x+1)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x-1} + \frac{C}{x+1} $$
양변에 $x(x-1)(x+1)$을 곱하면:
$$ x^2 + 3x + 2 = A(x-1)(x+1) + Bx(x+1) + Cx(x-1) $$
$x = 0, 1, -1$을 대입하여 $A = -2$, $B = 3$, $C = 0$을 얻습니다.

4. 적분 적용

분해된 단순 분수를 각각 적분합니다.
$$ \int \frac{x^2 + 3x + 2}{x(x-1)(x+1)} dx = -2\ln|x| + 3\ln|x-1| + C $$

활용 분야

1. 적분 계산

복잡한 유리 함수의 적분을 단순화합니다.
$$ \int \frac{1}{x^2 - 1} dx = \frac{1}{2} \ln\left|\frac{x-1}{x+1}\right| + C $$

2. 역라플라스 변환

라플라스 변환된 함수를 시간 영역으로 복원할 때 사용됩니다.
$$ \mathcal{L}^{-1}\left\{\frac{1}{s(s+1)}\right\} = 1 - e^{-t} $$

3. 미분 방정식 풀이

선형 미분 방정식의 해를 구하는 데 활용됩니다.

관련 개념

  • 유리 함수: 두 다항식의 비로 표현된 함수.
  • 다항식 나눗셈: 분자 차수가 분모보다 클 때 수행.
  • 기약 다항식: 더 이상 인수분해되지 않는 다항식.

참고 자료

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