Question Number 141407 by mnjuly1970 last updated on 18/May/21
$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\Omega:=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{4}} −{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }=? \\ $$
Answered by MJS_new last updated on 18/May/21
$$\int\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{4}} −{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[\mathrm{Ostrogradski}'\mathrm{s}\:\mathrm{Method}\right] \\ $$$$=\frac{{x}\left(\mathrm{7}{x}^{\mathrm{6}} −\mathrm{5}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{7}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)}{\mathrm{24}\left({x}^{\mathrm{4}} −{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{24}}\int\frac{\mathrm{7}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{20}}{{x}^{\mathrm{4}} −{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{24}}\int\frac{\mathrm{7}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{20}}{{x}^{\mathrm{4}} −{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{dx}= \\ $$$$=−\frac{\mathrm{13}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{288}}\int\frac{\mathrm{2}{x}−\sqrt{\mathrm{3}}}{{x}^{\mathrm{2}} −\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}{dx}+\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{32}}\int\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{13}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{288}}\int\frac{\mathrm{2}{x}+\sqrt{\mathrm{3}}}{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}{dx}+\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{32}}\int\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}= \\ $$$$… \\ $$$$=\frac{\mathrm{13}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{288}}\mathrm{ln}\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −\sqrt{\mathrm{3}}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{16}}\left(\mathrm{arctan}\:\left(\mathrm{2}{x}−\sqrt{\mathrm{3}}\right)\:+\mathrm{arctan}\:\left(\mathrm{2}{x}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)\right)\:+{C} \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{answer}\:\mathrm{is}\:\frac{\mathrm{9}\pi}{\mathrm{16}} \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 18/May/21
$${thank}\:{you}\:{mr}\:{m}\:{j}\:\:{s} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 19/May/21
$$\Phi=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\:\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{4}} −\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\mathrm{poles}\:\mathrm{of}\:\varphi? \\ $$$$\mathrm{z}^{\mathrm{4}} −\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{u}+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\:\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} =\mathrm{u}\right) \\ $$$$\Delta=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{u}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{u}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}=\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)^{\mathrm{3}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$\int_{\mathrm{R}} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\:\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)\:+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)\right\} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi\:,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)\:=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} } \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{3}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\right\}^{\left(\mathrm{2}\right)} \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} } \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} }\right)^{\left(\mathrm{2}\right)} \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} } \:−\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{3}\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{2z}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{6}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{6}} } \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} } \:\:\:\:\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)+\mathrm{6z}\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)}{\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{4}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}.\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)+\mathrm{6e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \left(\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)}{\left(\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{4}} \left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{6}}} \right)^{\mathrm{4}} }….\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$