Question Number 77995 by mathmax by abdo last updated on 12/Jan/20
$${calculate}\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$
Commented by msup trace by abdo last updated on 13/Jan/20
$${I}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}\:\Rightarrow \\ $$$${I}=_{{x}=\sqrt{\mathrm{3}}{t}} \:\:\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{9}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\sqrt{\mathrm{3}}{dt} \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{t}+\mathrm{1}\right)}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$${let}\:\varphi\left({z}\right)=\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}+\mathrm{1}\right)}{\left({z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left({z}\right)=\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}\:+\mathrm{1}\right)}{\left({z}−{i}\right)^{\mathrm{2}} \left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\:{Res}\left(\varphi,{i}\right) \\ $$$${Res}\left(\varphi,{i}\right)={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\left({z}−{i}\right)^{\mathrm{2}} \varphi\left({z}\right)\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\:\left\{\frac{{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}\:+\mathrm{1}\right)}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\:\frac{\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{1}+\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left({z}+{i}\right){arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}\:+\mathrm{1}\right)}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\:\frac{\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\left({z}+{i}\right)}{\mathrm{1}+\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}\:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}+\mathrm{1}\right)}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{\frac{\mathrm{4}{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{1}+\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right)}{−\mathrm{8}{i}} \\ $$$$=−\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{12}+\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\:+\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{i}}{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\frac{−\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}\left(−\mathrm{10}+\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{i}}{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{5}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\right)}−\frac{{i}}{\mathrm{4}}\:{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right) \\ $$
Commented by msup trace by abdo last updated on 13/Jan/20
$${we}\:{have}\:{arctan}\left({z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{iz}}{\mathrm{1}−{iz}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\:+\mathrm{1}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{i}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}−{i}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\:+\mathrm{1}\right)}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}+{i}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}−{i}}\right)\:{also} \\ $$$$\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}+{i}\:=\sqrt{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{e}^{{iarctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)} \\ $$$$\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}−{i}\:=\sqrt{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{e}^{−{iarctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)} \\ $$$$\Rightarrow{ln}\left(\frac{…}{…}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)+{iarctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right) \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\left(\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\:+{i}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right) \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 13/Jan/20
$$\Rightarrow{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{i}+\mathrm{1}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}+\mathrm{12}+\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}+\mathrm{12}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{7}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{7}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\frac{\pi}{\mathrm{2}}−{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}+\mathrm{1}\right)−\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}−\mathrm{1}\right)\right\}\right. \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{i}}{ln}\left(\frac{\mathrm{7}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{7}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}−\mathrm{1}\right)−{arctan}\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}+\mathrm{1}\right)\right) \\ $$