Question Number 141222 by mathmax by abdo last updated on 16/May/21
$$\mathrm{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}\pi} \:\:\frac{\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2x}\:\mathrm{cos}\theta\:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 16/May/21
$$\Omega=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}\pi} \frac{\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2xcos}\theta+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\mathrm{4}\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2xcos}\theta+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} },\:\mathrm{t}=\mathrm{tan}\frac{\theta}{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:=\mathrm{4}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{2dt}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2x}\centerdot\frac{\mathrm{1}−\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\centerdot\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\:\:\:\:=\mathrm{8}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{2x}\left(\mathrm{1}−\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt} \\ $$$$\:\:\:\:=\mathrm{8}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\left(\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2x}+\mathrm{1}\right)\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt} \\ $$$$\:\:\:\:=\mathrm{8}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\left(\left(\mathrm{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{8}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mathrm{8}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }\left\{\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt}+\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt}\right\} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }=\frac{\pi}{\mathrm{2a}}\Rightarrow\mathrm{f}\:'\left(\mathrm{a}\right)=−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{2a}}{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt}=−\frac{\pi}{\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{dt}}{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\pi}{\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} } \\ $$$$\Omega=\frac{\mathrm{8}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }\left\{\frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)}+\left(\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \right)×\frac{\pi}{\mathrm{4}\left(\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{3}} }\right\} \\ $$