Question Number 92397 by john santu last updated on 06/May/20
$$\int\:\frac{\mathrm{1}}{{x}−\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}\:{dx}\: \\ $$$$\left[\:{x}\:=\:\mathrm{sin}\:{w}\:\right]\: \\ $$$$\int\:\frac{\mathrm{cos}\:\mathrm{w}\:\mathrm{dw}}{\mathrm{sin}\:\mathrm{w}−\mathrm{cos}\:\mathrm{w}}\:=\:\int\:\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{tan}\:\mathrm{w}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\:\int\:\frac{\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{w}\:\mathrm{dw}}{\left(\mathrm{tan}\:\mathrm{w}−\mathrm{1}\right)\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{w}} \\ $$$$=\:\int\:\frac{\mathrm{du}}{\left(\mathrm{u}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\:;\:\left[\:\mathrm{u}\:=\:\mathrm{tan}\:\mathrm{w}\:\right]\: \\ $$$$=\:\int\:\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{u}−\mathrm{1}\right)}−\int\:\frac{\mathrm{u}\:\mathrm{du}\:}{\mathrm{2}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\:\mid\mathrm{u}−\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{ln}\mid\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{u}\right)\:+\mathrm{c} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\mid\mathrm{tan}\:\mathrm{w}−\mathrm{1}\mid−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{ln}\mid\mathrm{tan}\:^{\mathrm{2}} \mathrm{w}+\mathrm{1}\mid− \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{tan}\:\mathrm{w}\right)\:+\mathrm{c} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\mid\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}−\mathrm{1}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{ln}\mid\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \mid− \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{sin}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)\:+\:{c} \\ $$
Commented by abdomathmax last updated on 07/May/20
$${I}\:=\int\:\:\frac{{dx}}{{x}−\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}\:\:{we}\:{do}\:{the}\:{changement}\:{x}\:={sint}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\int\:\:\:\:\frac{{cost}}{{sint}−{cost}}{dt}\:\:=_{{tan}\left(\frac{{t}}{\mathrm{2}}\right)={u}} \:\:\:\int\:\:\:\frac{\frac{\mathrm{1}−{u}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }}{\frac{\mathrm{2}{u}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}−{u}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }}×\frac{\mathrm{2}{du}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int\:\:\:\frac{\mathrm{1}−{u}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{2}{u}−\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}{du} \\ $$$$=−\int\:\:\frac{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{u}−\mathrm{1}\right)}{du}\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({u}\right)\:=\frac{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{u}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$${u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{u}−\mathrm{1}=\mathrm{0}\rightarrow\Delta^{'} \:=\mathrm{2}\:\Rightarrow{u}_{\mathrm{1}} =−\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\:{and} \\ $$$${u}_{\mathrm{2}} =−\mathrm{1}−\sqrt{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{F}\left({u}\right)=\frac{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\left({u}−{u}_{\mathrm{1}} \right)\left({u}−{u}_{\mathrm{2}} \right)\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{{a}}{{u}−{u}_{\mathrm{1}} }\:+\frac{{b}}{{u}−{u}_{\mathrm{2}} }\:+\frac{{cu}\:+{d}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:=\frac{{u}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\left({u}_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:\:,\:{b}\:=−\frac{{u}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\left({u}_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$${lim}_{{u}\rightarrow\mathrm{0}} {uF}\left({u}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}+{b}\:+{c}\:\Rightarrow{c}=−{a}−{b} \\ $$$${F}\left({u}\right)\:=\frac{{a}}{{u}−{u}_{\mathrm{1}} }\:+\frac{{b}}{{u}−{u}_{\mathrm{2}} }\:+\frac{\left(−{a}−{b}\right){u}+{d}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}\:=−\frac{{a}}{{u}_{\mathrm{1}} }−\frac{{b}}{{u}_{\mathrm{2}} }\:+{d}\:\Rightarrow{d}\:=\mathrm{1}+\frac{{a}}{{u}_{\mathrm{1}} }+\frac{{b}}{{u}_{\mathrm{2}} } \\ $$$$\int\:{F}\left({u}\right){du}\:={aln}\mid{u}−{u}_{\mathrm{1}} \mid+{bln}\mid{u}−{u}_{\mathrm{2}} \mid+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\:{ln}\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right) \\ $$$$+{d}\:{arctanu}\:+\lambda \\ $$$$={aln}\mid{tan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arcsinx}\right)−{u}_{\mathrm{1}} \mid+{bln}\mid{tan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arcsinx}\right)\mid \\ $$$$+\frac{{c}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arcsinx}\right)\right)+{d}\:{arctan}\left({tan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arcsinx}\right)\right)\:+\lambda \\ $$$${rest}\:{to}\:{simplify}\:{a}\:,{b},{c},{d}… \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Commented by john santu last updated on 07/May/20