Question Number 76779 by mathmax by abdo last updated on 30/Dec/19
$${calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} {cosx}}{\mathrm{3}+{sin}^{\mathrm{2}} {x}}{dx} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 10/Jan/20
$${let}\:{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}} \:{cosx}}{\mathrm{3}+{sin}^{\mathrm{2}} {x}}{dx}\:\:{changement}\:{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)={t}\:{give} \\ $$$${A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{4}\:{arctan}^{\mathrm{2}} \left({t}\right)×\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{3}+\frac{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }}×\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\:=\mathrm{8}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right){arctan}^{\mathrm{2}} {t}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{3}+\frac{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\right)}{dt} \\ $$$$=\mathrm{8}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right){arctan}^{\mathrm{2}} {t}}{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} }{dt}\:=\mathrm{8}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({arctant}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)+\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{8}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({arctant}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}{t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{10}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}}{dt}\:{let}\:{solve}\:\mathrm{3}{t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{10}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{3}{u}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{10}{u}\:+\mathrm{3}=\mathrm{0}\:\rightarrow\Delta^{'} =\mathrm{5}^{\mathrm{2}} −\mathrm{9}\:=\mathrm{16}\:\Rightarrow{u}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{5}+\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}} \\ $$$${u}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{5}−\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{3}{t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{10}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\:=\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${A}\:=\mathrm{8}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({arctant}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)}{dt}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:{A}\:=\int_{−\infty} ^{\infty} \:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({arctant}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)}{dt}\:{letW}\left({z}\right)=\frac{\left(\mathrm{1}−{z}^{\mathrm{2}} \:\right)\left({arctanz}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({z}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)\left({z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)}\:\Rightarrow \\ $$$${W}\left({z}\right)\:=\frac{\left(\mathrm{1}−{z}^{\mathrm{2}} \right)\left({arctanz}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({z}−\frac{{i}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\left({z}+\frac{{i}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\left({z}−{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\left({z}+{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)}\:\:{residus}\:{theorem}\:{give} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{W}\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\left\{\:{Res}\left({W},\frac{{i}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+{Res}\left({W},{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\right\} \\ $$$$…{be}\:{continued}… \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$