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miércoles, 4 de noviembre de 2020

Fracciones parciales. Descomposición de fracciones algebraicas en fracciones más sencillas.

 Fracciones Parciales


Dos polinomios son iguales si tienen el mismo grado y sus coeficientes son iguales.

Si dos polinomios son iguales, coincide su valor para cualquier valor de x.


Fracciones Propias e Impropias

Definición: Se dice que una fracción racional P(x)Q(x) es una fracción propia, si el grado del polinomio P(x) es menor que el grado del polinomio Q(x). En caso contrario, es decir, si el grado de P(x) es mayor o igual al de Q(x), la fracción se llama impropia. 

Toda fracción impropia se puede expresar, efectuando la división, como la suma de un polinomio mas una fracción propia. Es decir, 

P(x)Q(x)=C(x)+d(x)Q(x)

Vamos a descomponer un fracción propia en suma de fracciones más sencillas. Tenemos 4 casos:

Caso I: El denominador Q(x) es un producto de factores lineales distintos. Esto significa que podemos escribir

Q(x)=(a1x+b1)(a2x+b2)(akx+bk)

en donde no hay factor que se repita. En este caso, existen constantes A1,A2,,Ak tales que

P(x)Q(x)=A1a1x+b1+A2a2x+b2++Akakx+bk

Ejemplo 1: Descomponer en fracciones parciales la fracción: 7x+3x2+3x4

Tenemos que el denominador se puede descomponer en factores simples como sigue:

x2+3x4=(x+4)(x1)

Luego la descomposición en fracciones parciales es:

7x+3x2+3x4=7x+3(x+4)(x1)=Ax+4+Bx1

Para encontrar los valores de A y B, ponemos común denominador, obteniendo

7x+3=A(x1)+B(x+4)

En este punto tenemos dos opciones:

     a) Desarrollando e igualando las potencias de x y el término independiente se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:

        7x+3=AxA+Bx+4B 

    De x tenemos que 7x=Ax+Bx;

    del término independiente 3=A+4B



    b) Calculando valores de los polinomios. ¿Qué valores de x vamos a coger? Está claro, ¿no? Cogeremos las raíces, x=1 y x=4



Por lo que la fracción original queda:

7x+3x2+3x4=5x+4+2x1


Ejemplo 2 x2+2x12x3+3x22x

Solución Se tiene que el denominador se puede factorizar como sigue:

2x3+3x22x=x(2x2+3x2)=x(2x1)(x+2)

Luego, la descomposición en fracciones parciales es:

x2+2x1x(2x1)(x+2)=Ax+B2x1+Cx+2

Ponemos denominador común y tenemos: 

x2+2x1x(2x1)(x+2)=A(2x1)(x+2)+Bx(x+2)+Cx(2x1)x(2x1)(x+2)

igualando numeradores se obtiene

x2+2x1=A(2x1)(x+2)+Bx(x+2)+Cx(2x1)(1)

En este punto tenemos dos opciones:

a) Desarrollando e igualando las potencias de x y el término independiente se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones: \

x2+2x1=A(2x2+4xx2)+B(x2+2x)+C(2x2x)

x2+2x1=2Ax2+3Ax2A+Bx2+2Bx+2Cx2Cx

x2+2x1=x2(2A+B+2C)+x(3A+2BC)2A




es decir

A=12,B=15,yC=110

así

x2+2x12x3+3x22x=12x+152x1+110x+2=12x+15(2x1)110(x+2)

    b) Calculando valores de los polinomios. Si en (1) damos valores tenemos:

x2+2x1=A(2x1)(x+2)+Bx(x+2)+Cx(2x1)

x=01=2AA=12

x=21=C(2)(2(2)1)1=10CC=110

x=1214=B12(12+2)14=B54B=15


  Caso II: El denominador Q(x) es un producto de factores lineales, algunos de los cuales se repiten.

Si Q(x) tiene un factor lineal repetido k veces de la forma (a1x+b1)k, entonces la descomposición en fracciones parciales contiene k términos de la forma:

A1a1x+b1+A2(a1x+b1)2++Ak(a1x+b1)k donde A1,A2,,Ak son constantes.  \

Ejemplo 3 Descomponer en fracciones parciales:

5x236x+48x(x4)2

La descomposicion en fracciones parciales es:

5x236x+48x(x4)2=Ax+B(x4)+C(x4)2

Poniendo denominador común

5x236x+48x(x4)2=A(x4)2+Bx(x4)+Cxx(x4)2

Igualando numeradores tenemos 

5x236x+48=A(x4)2+Bx(x4)+Cx(2)

En este punto tenemos dos opciones:

    a) Desarrollando e igualando las potencias de x y el término independiente se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:

5x236x+48=A(x28x+16)+B(x24x)+Cx

5x236x+48=x2(A+B)+x(8A4B+C)+16A

obteniendo el sistema:

Luego:

5x236x+48x(x4)2=3x+2x44(x4)2

   b) Calculando valores de los polinomios. Si damos valores en (2) tenemos: \ \ 

x=048=16AA=4816=3 \ \

x=416=4CC=164=4 \ \

x=117=9A3B+C17=273B46=3BB=2

Ejemplo 4 Descomponer en fracciones parciales:

4x4x34x2+4x

Factorizamos el denominador

x34x2+4x=x(x2)2 

Por lo tanto, su descomposición en fracciones parciales es:

4x4x(x2)2=Ax+Bx2+C(x2)2

poniendo común denominador:

4x4x(x2)2=A(x2)2+Bx(x2)+Cxx(x2)2

igualando numeradores tenemos: 

4x4=A(x2)2+Bx(x2)+Cx(4) 

En este punto tenemos dos opciones:

    a) Desarrollando e igualando las potencias de x y el término independiente se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:

4x4=A(x2)2+Bx(x2)+Cx

4x4=Ax24Ax+4A+Bx22Bx+Cx

obteniendo el sistema:

Luego:

4x4x34x2+4x=1x+1x22(x2)2 

   b) Calculando valores de los polinomios. Si damos valores en (4) tenemos:

x=24=2CC=42=2

x=04=4AA=44=1

x=10=AB+CB=A+C=21=1



Ejemplo 5 Descomponer en fracciones parciales una fracción impropia:

x42x2+4x+1x3x2x+1

Comenzaremos por dividir los polinomios

x42x2+4x+1x3x2x+1=x+1+4xx3x2x+1

luego, factorizando el denominador x3x2x+1 resulta

x3x2x+1=(x+1)(x1)2

Por lo tanto, su descomposición en fracciones parciales es:

4x(x+1)(x1)2=Ax1+B(x1)2+Cx+1

poniendo denominador común:

4x=A(x+1)(x1)+B(x+1)+C(x1)2(5)

4x=A(x21)+B(x+1)+C(x22x+1)

4x=x2(A+C)+x(B2C)A+B+C

En este punto tenemos dos opciones:

    a) Desarrollando e igualando las potencias de x y el término independiente se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones:


del cual de obtiene: A=1,B=2 y C=1 de modo que

x42x2+4x+1x3x2x+1=x+1+1x1+2(x1)21x+1

   b) Si damos valores en (5) tenemos:

x=14=2BB=2

x=14=4CC=1

x=00=A+B+C0=A+21A=1


Al principio habéis visto que habría 4 casos, los dos que quedan los añadiré más adelante. 



A continuación proponemos unos cuantos ejercicios:



Lo primero que tenmos que haces es factorizar el denominador: x25x+6. Podemos usar la fórmula para resolver ecuaciones de segundo grado o Ruffini. Sea el método que sea, vemos que podemos factorizar el denominador x25x+6=(x2)(x3)

Así sabemos que 5x+13x25x+6=Ax2+Bx3 con A y B constantes.

5x+13x25x+6=Ax2+Bx3=A(x3)+B(x2)(x2)(x3) Ahora tenemos que ver que 5x+13=A(x3)+B(x2) y para resolver esto, es decir, que dos polinomios son iguales lo podemos hacer de dos formas:
  1. Igualando coeficientes
  2. Evaluando valores

Vamos hacerlo evaluando valores:

Si x=252+13=B23=BB=23

Si x=353+13=AA=28

Luego 5x+13x25x+6=28x323x2






Lo primero que tenmos que haces es factorizar el denominador: x3+6x2+11x+6. Usaremos Ruffini para calcuar las posibles raíces, vemos que las raíces no pueden ser positivas ya que nunca sería cero. Probamos con -1 y vemos que es raíz. Así tenemos que x3+6x2+11x+6=(x+1)(x2+5x+6) Si seguimos aplicando Ruffini tenemos que x3+6x2+11x+6=(x+1)(x+2)(x+3).

Así sabemos que 6x2+22x+18x3+6x2+11x+6=Ax+1+Bx+2+Cx+3 con A, B y C constantes.

6x2+22x+18x3+6x2+11x+6=Ax+1+Bx+2+Cx+3=A(x+2)(x+3)+B(x+1)(x+3)+C(x+1)(x+2)(x+1)(x+2)(x+3) Ahora tenemos que ver que 6x2+22x+18=A(x+2)(x+3)+B(x+1)(x+3)+C(x+1)(x+2) y para resolver esto, es decir, que dos polinomios son iguales lo podemos hacer de dos formas:
  1. Igualando coeficientes
  2. Evaluando valores

Vamos hacerlo evaluando valores:

Si x=16(1)2+22(1)+18=A(1+2)(1+3)2=2AA=1

Si x=26(2)2+22(2)+18=B(2+1)(2+3)2=BB=2

Si x=36(3)2+22(3)+18=C(3+1)(3+2)6=2CC=3

Luego 6x2+22x+18x3+6x2+11x+6=1x+1+2x+2+3x+3





En este caso el grado de los polinomios del numerador y denominador son iguales, tenemos que hacer la división «en caja» y nos quedará:
(x2+4x+6)=(x23x+2)(1)(7x+4)x2+4x+6x23x+2=17x+4x23x+2 Luego tenemos que descomponer 7x+4x23x+2 es fracciones simples:

El denominador x23x+2, como 1 es raíz se factoriza rápidamente x23x+2=(x1)(x2) luego

7x+4x23x+2=Ax1+Bx2=A(x2)+B(x1)x23x+2

Evaluando tenemos:

Si x=171+4=AA=11

Si x=272+4=BB=18

Luego 7x+4x23x+2=11x1+18x2 y por tanto x2+4x+6x23x+2=17x+4x23x+2=118x2+11x1






2x2+1x1+1(x1)2






2(x2)22x+32x1






1+3x2+14x+32x3+2x24x8=1+3x26x+2+2(x+2)2




Caso III: El denominador Q(x) contiene factores cuadráticos irreductibles, ninguno de los cuales se repite.
Si Q(x) tiene un factor cuadrático no repetido de la forma ax2+bx+c, en donde, b24ac<0, entonces la descomposición en fracciones parciales contiene un término de la forma:
Ax+Bax2+bx+c donde A y B son constantes 
Ejemplo 6 Descomponer en fracciones parciales: 4x28x+1x3x+6 Tenemos que 4x28x+1x3x+6=4x28x+1(x+2)(x22x+3)=Ax+2+Bx+Cx22x+3 multiplicando por el común denominador: 4x28x+1=A(x22x+3)+(Bx+C)(x+2)(4) 4x28x+1=Ax22Ax+3A+Bx2+2Bx+Cx+2C 4x28x+1=x2(A+B)+x(2A+2B+2C)+3A+2C obteniendo el sistema {A+B=4B=4A2A+2B+C=83A+2C=1C=13A2 Por lo tanto, 2A+2(4A)+13A2=84A+164A+13A=1611A=33A=3 Luego B=43=1 y C=192=82=4 Así:
4x28x+1x3x+6=3x+2+x4x22x+3 Si tomamos valores en (4) tenemos:

x=233=A11A=3

x=01=3A+2C19=2C8=2CC=4

x=13=2A+(B+C)33=6+3B129=6+3B3=3BB=1


Ejemplo 7: 2x2x+4x3+4x
Solución Se tiene que la fracción se puede descomponer de la siguiente forma:
2x2x+4x3+4x=2x2x+4x(x2+4)=Ax+Bx+Cx2+4 De donde se obtiene multiplicando por el común denominador:
2x2x+4=A(x2+4)+(Bx+C)x(5) 2x2x+4=Ax2+4A+Bx2+Cx 2x2x+4=x2(A+B)+Cx+4A {A+B=2C=14A=4A=1 A+B=2A=1. Por lo cual 2x2x+4x3+4x=1x+x1x2+4
Si tomamos valores en (5)

x=04=A4A=1

x=15=A5+(B+C)B=C

x=17=5(B+C)2=2CC=1B=1

Caso IV: El denominador Q(x) contiene un factor irreductible repetido.

Si Q(x) tiene un factor cuadrático repetido k veces de la forma (ax2+bx+c)k, donde b24ac<0, entonces la descomposición en fracciones parciales contiene k términos de la forma: A1x+B1ax2+bx+c+A2x+B2(ax2+bx+c)2++Akx+Bk(ax2+bx+c)k donde A1,A2,,Ak, y B1,B2,Bk son constantes.

Ejemplo 8: Descomponer en fracciones parciales 1x+2x2x3x(x2+1)2 Solución: La forma de descomponer esta division de polinimios en fracciones parciales es: 1x+2x2x3x(x2+1)2=Ax+Bx+Cx2+1+Dx+E(x2+1)2 Multiplicando por x(x2+1)2 y luego igualando coeficientes
1x+2x2x3=A(x2+1)2+(Bx+C)x(x2+1)+x(Dx+E)(6) 1x+2x2x3=A(x4+2x2+1)+(Bx+C)(x3+x)+Dx2+Ex 1x+2x2x3=A(x4+2x2+1)+Bx4+Bx2+Cx3+Cx+Dx2+Ex 1x+2x2x3=x4(A+B)+x3C+x2(2A+B+D)+x(C+E)+A se obtiene el siguiente sistema: {A+B=0C=12A+B+D=2C+E=1A=1 Cuya solución es: A=1, como B=AB=1, como C=1E=0 y así D=1.
Entonces 1x+2x2x3x(x2+1)2=1xx+1x2+1+x(x2+1)2
Tomando valores en (6) tenemos:
x=01=A

x=11=4A+2(B+C)+(D+E)3=2B+2C+D+E

x=15=4A2(B+C)(D+E)1=2B2C+DE

x=21=25A+10(2B+C)+2(2D+E)26=20B+10C+4D+2E

x=219=25A10(2B+C)2(2D+E)6=20B10C+4D2E

se obtiene el siguiente sistema: {2B+2C+D+E=32B2C+DE=120B+10C+4D+2E=2620B10C+4D2E=6 Sumamos la 1a y 2a ecuación y tenemos: (a) 1=2B+D

Sumamos la 3a y 4a ecuación y tenemos: (b) 4=5B+D

Restamos (a) y (b):3=3BB=1D=1

Restamos la 1o y 2a ecuación y tenemos: (c) 2=2C+E

Restamos la 3a y 4a ecuación y tenemos: (d) 5=5C+E

Restamos (c) y (d):3=3CC=1E=0

Ejemplo 9: x3x4+4x2+4 Solución La forma de descomponer esta division de polinimios en fracciones parciales es: x3x4+4x2+4=Ax+Bx2+2+Cx+D(x2+2)2
Multiplicando por el mínimo común múltiplo y luego igualando coeficientes
x3=(Ax+B)(x2+2)+(Cx+D)(7)
x3=Ax3+2Ax+Bx2+2B+Cx+D
x3=Ax3+Bx2+x(2A+C)+2B+D
se obtiene el siguiente sistema: {A=1B=02A+C=0C=22B+D=0D=0 En este caso no merece la pena tomar valores en x, pero ser puede hacer sin problemas.

Iremos actualizando esta sección con los ejercicios que nos pidáis, para ello podéis mandar un correo a profesor.maties@gmail.com

1 comentario:

Unknown dijo...

Holaa Rafa,

Un pregunta, el caso en que al descomponer el denominador se obtenga un polinomio de la forma 1+x^2, está subido?

¿Por qué en ese caso el denominador tiene que ser de la forma Bx+C?

Soy Olga, tu exalumna xdd