Question Number 194963 by C2coder last updated on 20/Jul/23 | ||
Answered by witcher3 last updated on 21/Jul/23 | ||
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2asin}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}\right)\mathrm{dx}..? \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$ | ||
Commented by C2coder last updated on 22/Jul/23 | ||
$${i}\:{thought}\:{the}\:{same}\:{anf}\:{was}\:{able} \\ $$$$\:{to}\:{solve}\:{it}\:{but}\:{i}\:{think}\:{this}\: \\ $$$${form}\:{is}\:{correct}\:{just}\:{harder}\: \\ $$$${and}\:{more}\:{complex} \\ $$ | ||
Answered by witcher3 last updated on 21/Jul/23 | ||
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2asin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}\right)\mathrm{dx}=\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right);\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0w} \\ $$$$\mathrm{f}'\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{2asin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)}{\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{2aisin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)−\mathrm{2iasin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$ \\ $$$$=\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)}{\left.\left(\mathrm{ia}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)\left(\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)}\mathrm{dx} \\ $$$$ \\ $$$$=\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{tg}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{tg}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)}{\left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{ia}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{tg}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)\left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{tg}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\right)} \\ $$$$=\int_{−\infty} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:_{=\mathrm{g}} \mathrm{dt} \\ $$$$=\mathrm{2i}\pi\mathrm{Res}\left(\mathrm{z},\mathrm{g};\mathrm{im}\left(\mathrm{z}\right)>\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{a}>\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} =\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{t}=\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{1}+\mathrm{ia}} \\ $$$$\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} =\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{t}=\mathrm{i} \\ $$$$\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} =\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{t}=\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{1}−\mathrm{ia}} \\ $$$$\mathrm{2i}\pi.\left(\frac{−\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{2i}\left(\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \right)}\right. \\ $$$$\mathrm{2i}\pi\left(\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\left(\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right).\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{ia}}\right)^{\mathrm{2}} \right)}{\left(\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{ia}}\right)^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{2i}\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)\right)\left(\mathrm{1}−\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\right)}\right. \\ $$$$\mathrm{2i}\pi\left(\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\left(\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right).\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\right)}{\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{1}+\mathrm{ia}}{\mathrm{1}−\mathrm{ia}}\right)^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{2i}\left(\mathrm{1}−\mathrm{ia}\right)\right)}\right. \\ $$$$\mathrm{2i}\pi\left(\frac{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2i}\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2ia}\right)\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2ia}\right)}\right),\frac{\pi}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}},\frac{\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{a}\right) \\ $$$$+\mathrm{2i}\pi\left(\frac{\left(\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2ia}\right)}{\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2ia}\right)\left(\mathrm{2i}−\mathrm{2a}\right)\left(\mathrm{4ia}\right)}\right. \\ $$$$+\mathrm{2i}\pi\left(\frac{\left(\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2ia}\right)}{\left(−\mathrm{4ia}\right)\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2ia}\right)\left(\mathrm{2i}+\mathrm{2a}\right)}\right. \\ $$$$\mathrm{2i}\pi\left(\frac{\mathrm{2a}−\mathrm{2i}}{\left(\mathrm{2i}−\mathrm{a}\right)\left(\mathrm{2i}−\mathrm{2a}\right)\left(\mathrm{4ia}\right)}−\frac{\left(\mathrm{2a}+\mathrm{2i}\right)}{\mathrm{4ia}\left(−\mathrm{a}−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{2i}+\mathrm{2a}\right)}\right. \\ $$$$\frac{\pi}{\mathrm{2a}}\left(\frac{\left(\mathrm{2a}−\mathrm{2i}\right)\left(−\mathrm{a}−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{2i}+\mathrm{2a}\right)−\left(\mathrm{2a}+\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{2i}−\mathrm{a}\right)\left(\mathrm{2i}−\mathrm{2a}\right)}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)\left(−\mathrm{4}−\mathrm{4a}^{\mathrm{2}} \right)}\right. \\ $$$$\frac{\pi}{\mathrm{2a}}\left(\frac{\left(−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2ia}−\mathrm{4}\right)\left(\mathrm{2a}+\mathrm{2i}\right)−\left(−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2ia}−\mathrm{4}\right)\left(\mathrm{2i}−\mathrm{2a}\right)}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)\left(−\mathrm{4}−\mathrm{4a}^{\mathrm{2}} \right)}\right. \\ $$$$\frac{\pi}{\mathrm{2a}}\left(\frac{−\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{8i}\right)+\mathrm{a}\left(−\mathrm{4}\right)−\mathrm{8i}−\left(\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{8i}\right)+\mathrm{a}\left(\mathrm{4}\right)−\mathrm{8i}\right)}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)\left(−\mathrm{4}−\mathrm{4a}^{\mathrm{2}} \right)}\right. \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}+\frac{\pi}{\mathrm{2a}}\left(\frac{−\mathrm{8a}^{\mathrm{3}} −\mathrm{8a}}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)\left(−\mathrm{4}−\mathrm{4a}^{\mathrm{2}} \right)}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{a}} \mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt},\mid\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{a}} \frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}\mathrm{dt}=\pi\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{a}} \frac{\mathrm{d}\left(\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{2}}\right)}{\left(\mathrm{1}+\left(\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{2}}\right)\right.}=\pi\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2asin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}\right)\mathrm{dx}=\pi\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$ | ||