Question Number 92971 by abdomathmax last updated on 10/May/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} } \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right){calculate}\:\int_{\mathrm{5}} ^{+\infty} \:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} } \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 11/May/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{F}\left({x}\right)\:=\sum_{{i}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{4}} \:\frac{{a}_{{i}} }{{x}^{{i}} }\:+\sum_{{i}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{5}} \:\frac{{b}_{{i}} }{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{{i}} }\:\:\:\:\:\:\:{a}_{{i}} ?\:\:{F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} } \\ $$$${we}\:{find}\:{D}_{\mathrm{4}} \left(\mathrm{0}\right)\:{for}\:{g}\left({x}\right)\:=\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{5}} \\ $$$${g}\left({x}\right)\:=\sum_{{p}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} \:\frac{{g}^{\left({p}\right)} \left(\mathrm{0}\right)}{{p}!}{x}^{{p}} \:\:+\frac{{x}^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}!}\xi\left({x}\right)={g}\left(\mathrm{0}\right)+{x}\:{g}^{'} \left(\mathrm{0}\right)+\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}{g}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{0}\right)+\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}!}{g}^{\left(\mathrm{3}\right.} \left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$+\frac{{x}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{4}!}{g}^{\left(\mathrm{4}\right)} \left(\mathrm{0}\right)+\frac{{x}^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}!}\xi\left({x}\right) \\ $$$${g}\left(\mathrm{0}\right)\:=\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{5}} \:\:,{g}^{'} \left({x}\right)=−\mathrm{5}\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{6}} \:\rightarrow{g}^{'} \left(\mathrm{0}\right)\:=−\mathrm{5}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{6}} \\ $$$${g}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left({x}\right)\:=\mathrm{30}\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{7}} \:\Rightarrow{g}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{30}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{7}} \\ $$$${g}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left({x}\right)\:=−\mathrm{210}\:\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{8}} \:\Rightarrow{g}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:=−\mathrm{210}\:\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{8}} \\ $$$${g}^{\left(\mathrm{4}\right)} \left({x}\right)\:=\mathrm{210}×\mathrm{8}\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{9}} \:\Rightarrow{g}^{\left(\mathrm{4}\right)} \left({x}\right)\:=\mathrm{1680}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{9}\:} \:\Rightarrow \\ $$$${g}\left({x}\right)\:=\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{5}} \:−\mathrm{5}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{6}} \:{x}\:\:+\mathrm{15}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{7}} \:{x}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{35}\:\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{8}} \:{x}^{\mathrm{3}} \\ $$$$+\frac{\mathrm{1680}}{\mathrm{4}!}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{9}} \:{x}^{\mathrm{4}} \:+\frac{{x}^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}!}\xi\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{g}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{4}} }\:=\frac{\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{5}} }{{x}^{\mathrm{4}} }−\frac{\mathrm{5}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{6}} }{{x}^{\mathrm{3}} }\:+\frac{\mathrm{15}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{7}} }{{x}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{35}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{8}} }{{x}}+\frac{\mathrm{1680}}{\mathrm{4}!}\left(−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{9}} \:+{x}\theta\left({x}\right) \\ $$$$\Rightarrow{a}_{\mathrm{1}} =−\frac{\mathrm{35}}{\left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{8}} }\:,\:\:{a}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{15}}{\left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{7}} }\:,\:{a}_{\mathrm{3}} =\frac{−\mathrm{5}}{\left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{6}} }\:,\:{a}_{\mathrm{4}} =\frac{\mathrm{1}}{\left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} }\:\:{let}\:{find}\:{b}_{{i}} \\ $$$${we}\:{find}\:{D}_{\mathrm{4}} \left(\mathrm{3}\right)\:{for}\:{h}\left({x}\right)\:={x}^{−\mathrm{4}} \: \\ $$$${h}\left({x}\right)\:=\sum_{{p}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} \:\frac{{h}^{\left({p}\right)} \left(\mathrm{3}\right)}{{p}!}\left({x}−\mathrm{3}\right)^{{p}} \:+\frac{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}!}\xi\left({x}−\mathrm{3}\right) \\ $$$$={h}\left(\mathrm{3}\right)+\frac{{x}−\mathrm{3}}{\mathrm{1}!}\:{h}^{'} \left(\mathrm{3}\right)\:+\frac{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}!}{h}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{3}\right)\:+\frac{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}!}{h}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left(\mathrm{3}\right)\:+\frac{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}} }{\mathrm{4}!}{h}^{\left(\mathrm{4}\right)} \left(\mathrm{3}\right)+… \\ $$$${h}\left(\mathrm{3}\right)\:=\mathrm{3}^{−\mathrm{4}} \:,\:\:{h}^{'} \left({x}\right)\:=−\mathrm{4}{x}^{−\mathrm{5}} \:\rightarrow{h}^{'} \left(\mathrm{3}\right)\:=−\mathrm{4}\:\mathrm{3}^{−\mathrm{5}} \\ $$$${h}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left({x}\right)\:=\mathrm{20}\:{x}^{−\mathrm{6}} \:\rightarrow{h}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{3}\right)\:=\mathrm{20}\:.\mathrm{3}^{−\mathrm{6}} \\ $$$${h}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left({x}\right)\:=−\mathrm{120}\:{x}^{−\mathrm{7}} \:\rightarrow{h}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left(\mathrm{3}\right)\:=−\mathrm{120}.\mathrm{3}^{−\mathrm{7}} \\ $$$${h}^{\left(\mathrm{4}\right)} \left({x}\right)\:=\mathrm{120}.\mathrm{7}\:{x}^{−\mathrm{8}} \:=\mathrm{840}\:{x}^{−\mathrm{8}} \:\Rightarrow \\ $$$${h}\left({x}\right)\:=\mathrm{3}^{−\mathrm{4}} \:−\mathrm{4}.\mathrm{3}^{−\mathrm{5}} \left({x}−\mathrm{3}\right)\:+\mathrm{10}\:.\mathrm{3}^{−\mathrm{6}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{20}\:.\mathrm{3}^{−\mathrm{7}} \:\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{3}} \\ $$$$+\frac{\mathrm{840}}{\mathrm{4}!}\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}} \:+…\Rightarrow \\ $$$$\frac{{h}\left({x}\right)}{\left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} }−\frac{\mathrm{4}}{.\mathrm{3}^{\mathrm{5}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}} }\:+\frac{\mathrm{10}}{\mathrm{3}^{\mathrm{6}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{3}} }−\frac{\mathrm{20}}{\mathrm{3}^{\mathrm{7}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\frac{\mathrm{840}}{\mathrm{4}!\left({x}−\mathrm{3}\right)}\:+…\Rightarrow{b}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{840}}{\mathrm{4}!}\:\:,\:{b}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{20}}{\mathrm{3}^{\mathrm{7}} }\:,\:{b}_{\mathrm{3}} =\frac{\mathrm{10}}{\mathrm{3}^{\mathrm{6}} }\:,\:{b}_{\mathrm{4}} =\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}^{\mathrm{5}} }\:,\:{b}_{\mathrm{5}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{4}} } \\ $$$${the}\:{composition}\:{of}\:{F}\left({x}\right)\:{is}\:{known}… \\ $$$${remark}\:{for}\:{a}_{{i}} \:{we}\:{can}\:{use}\:\:{D}_{\mathrm{3}} \left(\mathrm{0}\right)\:{for}\:{g}\left({x}\right)=\left({x}−\mathrm{3}\right)^{−\mathrm{5}} \:{only}… \\ $$
Commented by abdomathmax last updated on 11/May/20
$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{can}\:{find}\:{this}\:{integral}\:{without}\:{using} \\ $$$${decomposition}\:\:!\:\:{let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{5}} ^{+\infty} \:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{5}} }\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\int_{\mathrm{5}} ^{+\infty} \:\frac{{dx}}{\left(\frac{{x}}{{x}−\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{4}} \left({x}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{9}} }\:\:{changement}\:\frac{{x}}{{x}−\mathrm{3}}\:={t}\:{give} \\ $$$${x}\:={tx}−\mathrm{3}{t}\:\Rightarrow\left(\mathrm{1}−{t}\right){x}\:=−\mathrm{3}{t}\:\Rightarrow{x}\:=\frac{\mathrm{3}{t}}{{t}−\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{dx}}{{dt}}\:=\frac{\mathrm{3}\left({t}−\mathrm{1}\right)−\mathrm{3}{t}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{−\mathrm{3}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{and}\:{x}−\mathrm{3}\:=\frac{\mathrm{3}{t}}{{t}−\mathrm{1}}−\mathrm{3} \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}{t}−\mathrm{3}{t}+\mathrm{3}}{{t}−\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{3}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:\:=\int_{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{−\mathrm{3}{dt}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:{t}^{\mathrm{4}} \left(\frac{\mathrm{3}}{{t}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{9}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{8}} }\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{9}} }{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}\:} .{t}^{\mathrm{4}} }{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{8}} }\:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \:\:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{7}} }{{t}^{\mathrm{4}} }{dt}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{3}^{\mathrm{8}} \:×{I}\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \:\frac{\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{7}} \:{C}_{\mathrm{7}} ^{{k}} \:{t}^{{k}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{7}−{k}} }{{t}^{\mathrm{4}} }{dt} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{7}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:\:{C}_{\mathrm{7}} ^{{k}} \:{t}^{{k}−\mathrm{4}} \:{dt} \\ $$$$=−\sum_{{k}=\mathrm{0}\:{and}\:{k}\neq\mathrm{3}} ^{\mathrm{7}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{7}} ^{{k}} \:\:\left[\frac{\mathrm{1}}{{k}−\mathrm{3}}{t}^{{k}−\mathrm{3}} \right]_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$+\:{C}_{\mathrm{7}} ^{\mathrm{3}} \:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}} \:\frac{{dt}}{{t}} \\ $$$$=−\sum_{{k}=\mathrm{0}\:{and}\:{k}\neq\mathrm{3}} ^{\mathrm{7}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} }{{k}−\mathrm{3}}\:{C}_{\mathrm{7}} ^{{k}} \:\left\{\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}\right)^{{k}−\mathrm{3}} −\mathrm{1}\right\} \\ $$$$+{C}_{\mathrm{7}} ^{\mathrm{3}} \:{ln}\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}\right)\: \\ $$$$\Rightarrow{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{8}} }\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{7}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{7}} ^{{k}} }{{k}−\mathrm{3}}\left(\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}\right)^{{k}−\mathrm{3}} \right) \\ $$$$+{C}_{\mathrm{7}} ^{\mathrm{3}} \:{ln}\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}\right)\:. \\ $$
Commented by abdomathmax last updated on 11/May/20
$${k}\neq\mathrm{3} \\ $$