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Kurs:Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Vorlesung 18/latex

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\setcounter{section}{18}






\zwischenueberschrift{Partialbruchzerlegung}

Betrachten wir den Bruch ${ \frac{ 1 }{ 6 } }$. Diesen kann man als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 6 } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } \cdot { \frac{ 1 }{ 3 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} schreiben, man kann also die Primfaktoren des Nenners multiplikativ trennen. Es gilt aber auch, und das ist überraschender, die Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 6 } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } - { \frac{ 1 }{ 3 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} man kann also in diesem Fall den Bruch als eine Summe von Brüchen schreiben, bei denen jeweils nur ein Primfaktor des Nenners vorkommt. In ähnlicher Weise gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 35 } } }
{ =} {- { \frac{ 2 }{ 5 } } + { \frac{ 3 }{ 7 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} auch hier lässt sich ein Bruch mit einem \anfuehrung{komplizierten}{} Nenner als Summe von Brüchen mit einem einfachen Nenner schreiben. Dagegen ist es nicht möglich, ${ \frac{ 1 }{ 4 } }$ als Summe von ${ \frac{ 1 }{ 2 } }$ zu schreiben. Wir werden gleich sehen, dass man jede rationale Zahl als eine Summe von Stammbrüchen zu Primzahlpotenzen erhalten kann. Dies beruht auf einer Gesetzmäßigkeit, die allgemeiner für Hauptidealbereiche gilt.





\inputfaktbeweis
{Hauptidealbereich/Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Hauptidealbereich}{}{} und
\mathbed {f,g \in R} {}
{g \neq 0} {}
{} {} {} {,} mit der \definitionsverweis {Primfaktorzerlegung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { p_1^{r_1} p_2^{r_2} \cdots p_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es im \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mathl{Q(R)}{} eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { { \frac{ a_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ a_2 }{ p_2^{r_2} } } + \cdots + { \frac{ a_k }{ p_k^{r_k} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_1 , \ldots , a_k }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir führen Induktion über die Anzahl $k$ der verschiedenen Primfaktoren von $g$. Wenn $g$ eine Einheit ist oder nur ein Primfaktor \zusatzklammer {mit einem beliebigen Exponenten} {} {} vorkommt, ist nichts zu zeigen. Es sei also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \geq }{ 2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die Aussage für kleinere $k$ schon bewiesen. Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ h }
{ =} { p_2^{r_2} \cdots p_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da \mathkor {} {p_1^{r_1}} {und} {h} {} \definitionsverweis {teilerfremd}{}{} sind, gibt es nach Satz 8.5 eine Darstellung der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ u p_1^{r_1} + v h }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ u,v }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Division durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { p_1^{r_1}h }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ergibt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ g } } }
{ =} { { \frac{ v }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ u }{ h } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Multiplikation mit $f$ liefert eine Darstellung der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { { \frac{ a_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ c }{ h } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und die Induktionsvoraussetzung angewendet auf ${ \frac{ c }{ h } }$ liefert das Resultat.

}


Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und überhaupt für euklidische Bereiche lässt sich diese Aussage noch präzisieren.




\inputfaktbeweis
{Euklidischer Bereich/Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {euklidischer Bereich}{}{} und
\mathbed {f,g \in R} {}
{g \neq 0} {}
{} {} {} {,} mit der \definitionsverweis {Primfaktorzerlegung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { p_1^{r_1} p_2^{r_2} \cdots p_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es im \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mathl{Q(R)}{} eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { b+ { \frac{ a_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ a_2 }{ p_2^{r_2} } } + \cdots + { \frac{ a_k }{ p_k^{r_k} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ b, a_1 , \ldots , a_k }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_j }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \delta(a_j) }
{ <} { \delta(p_j^{r_j}) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {Die Summanden
\mathl{{ \frac{ a_j }{ p_j^{r_j} } }}{} kann man als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ c_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { b_j + { \frac{ c_{j,1} }{ p_j } } + { \frac{ c_{j,2} }{ p_j^{2} } } + \cdots + { \frac{ c_{j,r_j} }{ p_j^{r_j} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \delta(c_{j,i}) }
{ \leq} { \delta(p_j) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} schreiben.}
\faktzusatz {}

}
{

Nach Satz 18.1 gibt es eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { { \frac{ a_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ a_2 }{ p_2^{r_2} } } + \cdots + { \frac{ a_k }{ p_k^{r_k} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Auf die einzelnen Summanden wenden wir die Division mit Rest durch
\mathl{p_j^{r_j}}{} an und erhalten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ a_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { b_j + { \frac{ a'_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\delta { \left( a'_j \right) } }
{ <} {\delta { \left( p_j^{r_j} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Ferner kann man auf $a_j$ auch die Division mit Rest durch $p_j$ anwenden und erhält
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ a_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { { \frac{ c_j p + t }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { { \frac{ c_j }{ p_j^{r_j-1} } } + { \frac{ t }{ p_j^{r_j} } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \delta(t) }
{ <} { \delta (p) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Den vorderen Summanden kann man in dieser Weise weiter abarbeiten.

}





\inputfaktbeweis
{Hauptidealbereich/Z/Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es seien
\mathbed {f,g \in \Z} {}
{g > 0} {}
{} {} {} {,} mit der \definitionsverweis {Primfaktorzerlegung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { p_1^{r_1} p_2^{r_2} \cdots p_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es im \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mathl{Q(R)}{} eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { n+ { \frac{ a_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ a_2 }{ p_2^{r_2} } } + \cdots + { \frac{ a_k }{ p_k^{r_k} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n, a_1 , \ldots , a_k }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { a_j } }
{ = }{ p_j^{r_j} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Für die Summanden gibt es ferner eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ a_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { n_j + { \frac{ c_{j,1} }{ p_j } } + { \frac{ c_{j,2} }{ p_j^{2} } } + \cdots + { \frac{ c_{j,r_j} }{ p_j^{r_j} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { c_{j,i} } }
{ < }{ p_j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dabei kann man die
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c_{j,i} }
{ \geq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} wählen.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt unmittelbar aus Satz 18.2.

}





\inputbeispiel{}
{

Wir berechnen die Partialbruchzerlegung von
\mathl{{ \frac{ 1 }{ 100 } }}{.} Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{100 }
{ =} {4 \cdot 25 }
{ =} {2^2 \cdot 5^2 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{25 -6 \cdot 4 }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 100 } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 4 } } - 6 { \frac{ 1 }{ 25 } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 4 } } - { \frac{ 1 }{ 5 } } - { \frac{ 1 }{ 25 } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wenn man nichtnegative Zähler haben möchte, so schreibt man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 4 } } - 6 { \frac{ 1 }{ 25 } } }
{ =} {- 1+ { \frac{ 1 }{ 4 } } +1 - 6 { \frac{ 1 }{ 25 } } }
{ =} {- 1+ { \frac{ 1 }{ 4 } } + { \frac{ 25-6 }{ 25 } } }
{ =} {- 1+ { \frac{ 1 }{ 4 } } + { \frac{ 19 }{ 25 } } }
{ =} {- 1+ { \frac{ 1 }{ 4 } } + { \frac{ 3 }{ 5 } } + { \frac{ 4 }{ 25 } } }
} {}{}{.}


}





\inputfaktbeweis
{Hauptidealbereich/KX/Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathbed {f,g \in K[X]} {}
{g \neq 0} {}
{} {} {} {,} mit der \definitionsverweis {Zerlegung}{}{} in irreduzible Polynome
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { p_1^{r_1} p_2^{r_2} \cdots p_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es im \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mathl{K(X)}{} eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ f }{ g } } }
{ =} { h+ { \frac{ q_1 }{ p_1^{r_1} } } + { \frac{ q_2 }{ p_2^{r_2} } } + \cdots + { \frac{ q_k }{ p_k^{r_k} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ h, q_1 , \ldots , q_k }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ q_j }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{grad} \, (q_j) }
{ <} { \operatorname{grad} \, (p_j^{r_j} ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {Die Summanden
\mathl{{ \frac{ q_j }{ p_j^{r_j} } }}{} kann man als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ q_j }{ p_j^{r_j} } } }
{ =} { h_j + { \frac{ c_{j,1} }{ p_j } } + { \frac{ c_{j,2} }{ p_j^{2} } } + \cdots + { \frac{ c_{j,r_j} }{ p_j^{r_j} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{grad} \, (c_{j,i} ) }
{ <} { \operatorname{grad} \, (p_j ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} schreiben.}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt unmittelbar aus Satz 18.2.

}





\inputfaktbeweis
{Komplexe Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es seien
\mathbed {P,Q \in {\mathbb C}[X]} {}
{Q \neq 0} {}
{} {} {} {,} \definitionsverweis {Polynome}{}{} und es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Q }
{ =} { (X-a_1)^{r_1} \cdots (X-a_s)^{r_s} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit verschiedenen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a_i }
{ \in }{{\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es ein eindeutig bestimmtes Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ \in }{ {\mathbb C}[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und eindeutig bestimmte Koeffizienten
\mathbed {c_{ij} \in {\mathbb C}} {}
{1 \leq i \leq s} {}
{1 \leq j \leq r_i} {} {} {,} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{P}{Q} }
{ =} { H + \frac{c_{11} }{X-a_1} + \frac{c_{12} }{(X-a_1)^2} + \cdots + \frac{c_{1 r_1} }{(X-a_1)^{r_1} } + \cdots + \frac{c_{s1} }{X-a_s} + \frac{c_{s2} }{(X-a_s)^2} + \cdots + \frac{c_{s r_s} }{(X-a_s)^{r_s} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies ergibt sich, abgesehen von der Eindeutigkeit, die wir nicht beweisen, aus Korollar 18.5 und dem Fundamentalsatz der Algebra.

}





\inputfaktbeweis
{Reelle Partialbruchzerlegung/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es seien
\mathbed {P,Q \in \R[X]} {}
{Q \neq 0} {}
{} {} {} {,} \definitionsverweis {Polynome}{}{} und es sei
\mathdisp {Q=(X-a_1)^{r_1} \cdots (X-a_s)^{r_s} Q_1^{t_1} \cdots Q_u^{t_u}} { }
mit verschiedenen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_i }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und verschiedenen quadratischen Polynomen $Q_k$ ohne reelle Nullstellen.}
\faktfolgerung {Dann gibt es ein eindeutig bestimmtes Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \in }{ \R[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und eindeutig bestimmte Koeffizienten
\mathbed {c_{ij} \in \R} {}
{1 \leq i \leq s} {}
{1 \leq j \leq r_i} {} {} {,} und eindeutig bestimmte \definitionsverweis {lineare Polynome}{}{}
\mathbed {L_{k \ell} = d_{k \ell}X+ e_{k \ell}} {}
{1 \leq k \leq u} {}
{1 \leq \ell \leq t_k} {} {} {,} mit
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ \frac{P}{Q} }
{ =} { H + \frac{c_{11} }{X-a_1} + \frac{c_{12} }{(X-a_1)^2} + \cdots + \frac{c_{1 r_1} }{(X-a_1)^{r_1} } \bruchhilfealign + \cdots + \frac{c_{s1} }{X-a_s} + \frac{c_{s2} }{(X-a_s)^2} + \cdots + \frac{c_{s r_s} }{(X-a_s)^{r_s} } }
{ \,\,\,} { + \frac{L_{11} }{Q_1} + \frac{L_{12} }{Q_1^2} + \cdots + \frac{L_{1 t_1} }{Q_1^{t_1} } \bruchhilfealign + \cdots + \frac{L_{u1} }{Q_u} + \frac{L_{u2} }{Q_u^2} + \cdots + \frac{L_{u t_u} }{Q_u^{t_u} } }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies ergibt sich, abgesehen von der Eindeutigkeit, die wir nicht beweisen, aus Korollar 18.5 und der Tatsache, dass es in
\mathl{\R[X]}{} nur lineare und quadratische Primpolynome gibt.

}





\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {rationale Funktion}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{1}{X^3-1} }
{ =} { \frac{1}{(X-1) { \left( X^2+X+1 \right) } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} wobei der Faktor rechts reell nicht weiter zerlegbar ist. Daher muss es eine eindeutige Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{1}{X^3-1} }
{ =} { \frac{a}{X-1} + \frac{bX+c}{X^2+X+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} geben. Multiplikation mit dem Nennerpolynom führt auf
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ 1 }
{ =} { a { \left( X^2+X+1 \right) } + (bX+c)(X-1) }
{ =} { (a+b) X^2 + (a+c-b)X+ a-c }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{.} Koeffizientenvergleich führt auf das \definitionsverweis {inhomogene lineare Gleichungssystem}{}{}
\mathdisp {a+b =0 \text{ und } a+c-b =0 \text{ und } a-c =1} { }
mit den eindeutigen Lösungen
\mathdisp {a= { \frac{ 1 }{ 3 } } ,\, b = - { \frac{ 1 }{ 3 } },\, c= - { \frac{ 2 }{ 3 } }} { . }
Die Partialbruchzerlegung ist also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ X^3-1 } } }
{ =} { { \frac{ { \frac{ 1 }{ 3 } } }{ X-1 } } + { \frac{ -{ \frac{ 1 }{ 3 } }X - { \frac{ 2 }{ 3 } } }{ X^2+X+1 } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 3 } } \cdot { \frac{ 1 }{ X-1 } } - { \frac{ 1 }{ 3 } } \cdot { \frac{ X + 2 }{ X^2+X+1 } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die rationale Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{X^3-X+5}{X^4+X^2} }
{ =} { \frac{X^3-X+5}{X^2 { \left( X^2+1 \right) } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wo die Faktorzerlegung des Nennerpolynoms sofort ersichtlich ist. Der Ansatz
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{X^3-X+5}{X^2 { \left( X^2+1 \right) } } }
{ =} { \frac{a}{X} + \frac{b}{X^2} + \frac{cX+d}{X^2+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} führt durch Multiplikation mit dem Nennerpolynom auf
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ X^3-X+5 }
{ =} { aX { \left( X^2+1 \right) } + b { \left( X^2+1 \right) } + (cX+d)X^2 }
{ =} { aX^3+aX+bX^2+b+cX^3+dX^2 }
{ =} { (a+c)X^3+(b+d)X^2+aX+b }
{ } { }
} {} {}{.} Koeffizientenvergleich führt auf das \definitionsverweis {inhomogene lineare Gleichungssystem}{}{}
\mathdisp {a+c =1 \text{ und } b+d =0 \text{ und } a =-1 \text{ und } b =5} { }
mit der Lösung
\mathdisp {b=5,\, a=-1,\, d=-5,\, c=2} { . }
Insgesamt ist die Partialbruchzerlegung also gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ X^3-X+5 }{ X^2(X^2+1) } } }
{ =} { - { \frac{ 1 }{ X } } + { \frac{ 5 }{ X^2 } } + { \frac{ 2X-5 }{ X^2+1 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}






\inputbemerkung
{}
{

Eine wichtige Anwendung der reellen Partialbruchzerlegung ist es, zu rationalen Funktionen
\mathbed {P/Q} {}
{P,Q \in \R[X]} {}
{Q \neq 0} {} {} {,} eine Stammfunktion zu finden, also zu integrieren. Man berechnet hierzu die Partialbruchzerlegung von
\mathl{P/Q}{} und muss dann zu dem Polynom $H$ und den Summanden der Form \mathkor {} {{ \frac{ b }{ (X-a)^r } }} {bzw.} {{ \frac{ c+dX }{ Q_i^r } }} {} mit einem quadratischen nullstellenfreien Polynom $Q_i$ Stammfunktionen bestimmen. Dafür gibt es dann Standardverfahren. Eine Stammfunktion zu
\mathl{{ \frac{ b }{ (X-a) } }}{} ist
\mathl{b \ln \betrag { X-a }}{} und eine Stammfunktion zu
\mathbed {{ \frac{ b }{ (X-a) } }} {}
{r \geq 2} {}
{} {} {} {,} ist
\mathl{{ \frac{ b }{ (1-r)(X-a)^{r-1} } }}{.} Wenn ein quadratischer Nenner vorliegt, wird es schwieriger; eine Stammfunktion zu
\mathl{{ \frac{ 1 }{ 1+x^2 } }}{} ist beispielsweise
\mathl{\arctan X}{.}

}