Question Number 132333 by liberty last updated on 13/Feb/21
$$\:\mathrm{very}\:\mathrm{nice}\:\mathrm{integral} \\ $$$$\int\:\frac{\mathrm{4x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4x}+\mathrm{3}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{dx}? \\ $$$$ \\ $$
Answered by EDWIN88 last updated on 13/Feb/21
$$\mathrm{well}…\:\mathrm{let}\:\mathrm{me}\:\mathrm{try} \\ $$$$\mathrm{Ostrogradsky}\:\mathrm{method} \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{has}\:\mathrm{form}\: \\ $$$$\int\:\frac{\mathrm{4x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4x}+\mathrm{3}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{ax}+\mathrm{b}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\int\:\frac{\mathrm{cx}^{\mathrm{3}} +\mathrm{dx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{ex}+\mathrm{f}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\:\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{differentiating}\:\mathrm{both}\:\mathrm{sides} \\ $$$$\:\frac{\mathrm{4x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4x}+\mathrm{3}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\frac{\mathrm{a}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)−\left(\mathrm{ax}+\mathrm{b}\right)\left(\mathrm{2x}+\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{cx}^{\mathrm{3}} +\mathrm{dx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{ex}+\mathrm{f}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{after}\:\mathrm{solving}\:\mathrm{the}\:\mathrm{coefficients}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\mathrm{a}=\mathrm{1}\:,\:\mathrm{b}=−\mathrm{1}\:,\mathrm{c}=\mathrm{0}\:,\:\mathrm{d}=\mathrm{1}\:,\mathrm{e}=\mathrm{1}\:,\mathrm{f}\:=\:\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{then}\:\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\int\:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{I}=\:\frac{\mathrm{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\:\int\:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}=\:\frac{\mathrm{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}}+\:\mathrm{arctan}\:\left(\mathrm{x}\right)\:+\:\mathrm{C} \\ $$
Commented by liberty last updated on 13/Feb/21
$$ \\ $$$$\mathrm{sch}\ddot {\mathrm{o}ne}\:\mathrm{L}\ddot {\mathrm{o}sung} \\ $$
Commented by SLVR last updated on 13/Feb/21
$${great}\:{job}…{nice}\:{sir} \\ $$
Commented by SLVR last updated on 13/Feb/21
$${but}\:{on}\:{differentiaion}\:{of}\:{RHS}\:\mathrm{1}{st}\:{part}\:{denominator} \\ $$$${has}\:{no}\:{sqare}…{how}…{to}\:{proceed}.. \\ $$
Commented by EDWIN88 last updated on 13/Feb/21
$$\mathrm{oh}\:\mathrm{it}\:\mathrm{is}\:\mathrm{only}\:\mathrm{typo} \\ $$
Commented by SLVR last updated on 13/Feb/21
$${welcome}\:{sir}.. \\ $$
Answered by EDWIN88 last updated on 13/Feb/21
$$\int\:\frac{\mathrm{P}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)}\:\mathrm{dx}\:=\:\frac{\mathrm{P}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)}\:+\:\int\:\frac{\mathrm{P}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{Q}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)}\:\mathrm{dx}\: \\ $$$$\mathrm{where}\:\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)\mathrm{is}\:\mathrm{gcd}\:\mathrm{of}\:\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{Q}'\left(\mathrm{x}\right) \\ $$$$\mathrm{Q}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)}\:\mathrm{and}\:\mathrm{P}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{P}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{are}\: \\ $$$$\mathrm{unknown}\:\mathrm{polynomials}\:\mathrm{of}\:\mathrm{degree}\:\mathrm{one}\:\mathrm{less} \\ $$$$\mathrm{than}\:\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{Q}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{respectively}\:.\: \\ $$$$\mathrm{from}\:\mathrm{the}\:\mathrm{equation}\:\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)=\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{Q}'\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{2x}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{gcd}\:\mathrm{of}\:\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{Q}'\left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{is}\:\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{and}\:\mathrm{Q}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{Q}_{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right)}=\:\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{x}+\mathrm{1}\right) \\ $$