Question Number 140896 by bramlexs22 last updated on 14/May/21
$$\mathrm{the}\:\mathrm{function}\:\mathrm{f}\:\mathrm{with}\:\mathrm{variable}\:\mathrm{x} \\ $$$$\mathrm{satisfies}\:\mathrm{the}\:\mathrm{equation}\: \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{f}\:'\left(\mathrm{x}\right)\:+\mathrm{2x}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\:=\:\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\:\mathrm{for}\: \\ $$$$\mathrm{0}\:<\:\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\:<\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\mathrm{and}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{1}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{4}}. \\ $$$$\mathrm{find}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right). \\ $$
Answered by EDWIN88 last updated on 15/May/21
$$\mathrm{let}\:\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)=\:\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\:,\:\mathrm{diff}\:\mathrm{wrt}\:\mathrm{x}\:\mathrm{give} \\ $$$$\mathrm{g}\:'\left(\mathrm{x}\right)=\:\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{f}\:'\left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{2x}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\: \\ $$$$\mathrm{so}\:\mathrm{that}\:\mathrm{g}\:'\left(\mathrm{x}\right)=\:\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\: \\ $$$$\mathrm{integration}\:\mathrm{by}\:\mathrm{part}\: \\ $$$$\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)=\int\:\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\:\mathrm{dx}\:=\:\mathrm{x}\:\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\:\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{c} \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{condition}\:\mathrm{g}\left(\mathrm{1}\right)=\:\mathrm{f}\left(\mathrm{1}\right)=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}} \\ $$$$\Rightarrow\cancel{\frac{\pi}{\mathrm{4}}}=\:\cancel{\mathrm{arctan}\:\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\:\left(\mathrm{2}\right)\:+\:\mathrm{c} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{c}\:=\:\mathrm{ln}\:\sqrt{\mathrm{2}}\: \\ $$$$\therefore\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\:\frac{\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:=\:\frac{\mathrm{arctan}\:\mathrm{x}\:}{\mathrm{x}}−\frac{\mathrm{ln}\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\mathrm{ln}\:\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 14/May/21
$$\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{y}\:\:\mathrm{e}\:\Rightarrow\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{y}^{'} \:+\mathrm{2xy}=\mathrm{arctanx}\:\:\mathrm{and}\:\mathrm{y}\left(\mathrm{1}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{4}} \\ $$$$\mathrm{h}\rightarrow\mathrm{xy}^{'} \:+\mathrm{2y}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{xy}^{'} \:=−\mathrm{2y}\:\Rightarrow\frac{\mathrm{y}^{'} }{\mathrm{y}}=−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{x}}\:\Rightarrow\mathrm{ln}\mid\mathrm{y}\mid=−\mathrm{2log}\mid\mathrm{x}\mid\:+\mathrm{c}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{y}\:=\frac{\mathrm{k}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:\:\:\:\:\mathrm{mvc}\:\mathrm{method}\rightarrow\mathrm{y}^{'} \:=\frac{\mathrm{k}^{'} }{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:+\mathrm{k}\left(\frac{−\mathrm{2x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} }\right)=\frac{\mathrm{k}^{'} }{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{2k}}{\mathrm{x}^{\mathrm{3}} } \\ $$$$\mathrm{e}\Rightarrow\mathrm{k}^{'} \:−\frac{\mathrm{2k}}{\mathrm{x}}\:+\frac{\mathrm{2k}}{\mathrm{x}}\:=\mathrm{arctanx}\:\Rightarrow\mathrm{k}\:=\int\:\mathrm{arctanx}\:\mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{xarctanx}\:−\int\:\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=\mathrm{xarctan}\left(\mathrm{x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{C}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{y}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\left(\mathrm{xarctan}\left(\mathrm{x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{C}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\frac{\mathrm{c}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right) \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{1}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow\frac{\pi}{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{log2}\:+\mathrm{C}\:=\frac{\pi}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow\mathrm{C}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{log2}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} } \\ $$