Question Number 112651 by bemath last updated on 09/Sep/20
$$\left(\mathrm{1}\right)\underset{{x}\rightarrow\mathrm{a}} {\mathrm{lim}}\:\left(\mathrm{x}−\mathrm{a}\right)\:\mathrm{cosec}\:\left(\frac{\pi\mathrm{x}}{\mathrm{a}}\right)\:? \\ $$$$\left(\mathrm{2}\right)\:\int\:\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\mathrm{dx}\:,\:\mathrm{by}\:\mathrm{using}\:\mathrm{Euler}'\mathrm{s} \\ $$$$\mathrm{substitution} \\ $$
Answered by john santu last updated on 09/Sep/20
$$\left(\bigstar\right)\:{by}\:{Euler}'{s}\:{substitution}\: \\ $$$${let}\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:=\:{x}+{q}\:\Rightarrow{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\:=\:{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{qx}+{q}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\mathrm{2}{qx}+{q}^{\mathrm{2}} \:=\:\mathrm{1}\:\Rightarrow{x}\:=\:\frac{\mathrm{1}−{q}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}{q}} \\ $$$$\:\:{dx}\:=\:\frac{−\mathrm{4}{q}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−{q}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{4}{q}^{\mathrm{2}} }\:{dq} \\ $$$$\:\:{dx}\:=\:\frac{−\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}{\mathrm{4}{q}^{\mathrm{2}} }\:{dq}\:=\:\frac{−{q}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} }\:{dq} \\ $$$${so}\:{I}\:=\:\int\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:{dx}\: \\ $$$${I}=\:\int\:\left(\frac{\mathrm{1}−{q}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}{q}}+{q}\right).\left(\frac{−{q}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} }\right){dq} \\ $$$${I}=\:−\int\:\left(\frac{{q}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{q}}\right)\left(\frac{{q}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} }\right){dq} \\ $$$${I}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int\:\left(\frac{{q}^{\mathrm{4}} +\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{q}^{\mathrm{3}} }\right){dq} \\ $$$${I}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int\:\left({q}+\frac{\mathrm{2}}{{q}}+{q}^{−\mathrm{3}} \right){dq} \\ $$$${I}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{q}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2ln}\:\left({q}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{q}^{\mathrm{2}} }\right)+{c} \\ $$$${I}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−{x}\right)^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\:\mid\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−{x}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−{x}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\:{c} \\ $$
Answered by bobhans last updated on 09/Sep/20
$$\left(\blacklozenge\right)\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{a}} {\mathrm{lim}}\:\left(\mathrm{x}−\mathrm{a}\right)\:\mathrm{cosec}\:\left(\frac{\pi\mathrm{x}}{\mathrm{a}}\right)\:=\:\mathrm{L} \\ $$$$\:\mathrm{L}=\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{a}} {\mathrm{lim}}\:\frac{\left(\mathrm{x}−\mathrm{a}\right)}{\mathrm{sin}\:\left(\frac{\pi\mathrm{x}}{\mathrm{a}}\right)}=\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{a}} {\mathrm{lim}}\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\pi}{\mathrm{a}}\mathrm{cos}\:\left(\frac{\pi\mathrm{x}}{\mathrm{a}}\right)} \\ $$$$\:\mathrm{L}\:=\:\frac{\mathrm{a}}{\pi}\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{a}} {\mathrm{lim}}\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cos}\:\left(\frac{\pi\mathrm{x}}{\mathrm{a}}\right)}\:=\:−\frac{\mathrm{a}}{\pi} \\ $$
Answered by 1549442205PVT last updated on 10/Sep/20
$$\left.\mathrm{2}\right)\boldsymbol{\mathrm{Find}}\:\int\sqrt{\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\boldsymbol{\mathrm{dx}}\: \\ $$$$\mathrm{Put}\:\mathrm{x}=\mathrm{tant}\Rightarrow\mathrm{dx}=\left(\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}\right)\mathrm{dt}.\mathrm{Then} \\ $$$$\mathrm{F}=\int\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\mathrm{dx}=\int\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}\:\left(\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}\right)\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{F}=\int\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{cos}^{\mathrm{3}} \mathrm{t}}\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sint}}×\frac{\mathrm{2sintcost}}{\mathrm{cos}^{\mathrm{4}} \mathrm{t}}\mathrm{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sint}}\mathrm{d}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sintcos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}.\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sint}}\right)'\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sintcos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}.\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}\right)×\mathrm{costdt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sintcos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{d}\left(\mathrm{sint}\right)}{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{tsin}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}} \\ $$$$\mathrm{Put}\:\mathrm{sint}=\mathrm{u}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{d}\left(\mathrm{sint}\right)}{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{tsin}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{du}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2u}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2u}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{u}−\mathrm{1}}{\mathrm{u}+\mathrm{1}}\mid.\mathrm{Therefore}, \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{F}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\boldsymbol{\mathrm{sintcos}}^{\mathrm{2}} \boldsymbol{\mathrm{t}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\boldsymbol{\mathrm{sint}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\boldsymbol{\mathrm{ln}}\mid\frac{\boldsymbol{\mathrm{sint}}−\mathrm{1}}{\boldsymbol{\mathrm{sint}}+\mathrm{1}}\mid+\boldsymbol{\mathrm{C}} \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{x}}=\boldsymbol{\mathrm{tant}}\Leftrightarrow\boldsymbol{\mathrm{cos}}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} },\boldsymbol{\mathrm{sint}}\:=\frac{\mid\boldsymbol{\mathrm{x}}\mid}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{F}}=\frac{\mid\mathrm{x}\mid\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\boldsymbol{\mathrm{ln}}\mid\frac{\mid\boldsymbol{\mathrm{x}}\mid−\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}{\mid\boldsymbol{\mathrm{x}}\mid+\sqrt{\:\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}\mid+\boldsymbol{\mathrm{C}} \\ $$$$\mathrm{Also}\:\mathrm{see}\:\mathrm{question}\:\mathrm{112313} \\ $$