Question Number 87993 by abdomathmax last updated on 07/Apr/20
$${calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 07/Apr/20
$${I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dx}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dx}}{\left(\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{4}} \left({x}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${we}\:{use}\:{the}\:{changement}\:\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{2}}\:={t}\:\Rightarrow{x}+\mathrm{1}\:={tx}\:+\mathrm{2}{t}\:\Rightarrow\left(\mathrm{1}−{t}\right){x}=\mathrm{2}{t}−\mathrm{1} \\ $$$${x}\:=\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}\:\Rightarrow\frac{{dx}}{{dt}}\:=\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−{t}\right)+\left(\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{1}−{t}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{−\mathrm{3}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{also} \\ $$$${x}+\mathrm{3}\:=\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}\:+\mathrm{3}\:=\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}+\mathrm{3}−\mathrm{3}{t}}{\mathrm{1}−{t}}\:=\frac{−{t}+\mathrm{2}}{\mathrm{1}−{t}}\:=\frac{{t}−\mathrm{2}}{{t}−\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${x}+\mathrm{2}\:=\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}+\mathrm{2}\:=\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}+\mathrm{2}−\mathrm{2}{t}}{\mathrm{1}−{t}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{−\mathrm{3}{dt}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{t}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{4}} \left(\frac{{t}−\mathrm{2}}{{t}−\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=−\mathrm{3}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{6}} }{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$=−\mathrm{3}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{{t}^{\mathrm{2}} \left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:\:{we}\:{have} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} \left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\frac{\left({t}−\left({t}−\mathrm{2}\right)\right)^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} \left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{t}\left({t}−\mathrm{2}\right)+\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} \left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{t}\left({t}−\mathrm{2}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\frac{{t}−\left({t}−\mathrm{2}\right)}{{t}\left({t}−\mathrm{2}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}−\mathrm{2}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{t}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{{t}−\mathrm{2}}{dt}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{{t}}{dt}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{{t}^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{\left({t}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:=_{{t}−\mathrm{2}\:={u}} \:\:\:\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\frac{\left({u}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}} }{{u}^{\mathrm{2}} }{du} \\ $$$$=\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\frac{\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} \:{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \:{u}^{{k}} \left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}−{k}} }{{u}^{\mathrm{2}} }{du} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} \:\left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \:\:\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} {u}^{{k}−\mathrm{2}} \:{du} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}{and}\:{k}\neq\mathrm{1}} ^{\mathrm{4}} \:\left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \:\:\left[\frac{\mathrm{1}}{{k}−\mathrm{1}}{u}^{{k}−\mathrm{1}} \right]_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\:\:−\mathrm{3}\:{C}_{\mathrm{4}} ^{\mathrm{1}} \:\left[{ln}\mid{u}\mid\right]_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}\:{and}\:{k}\neq\mathrm{1}} ^{\mathrm{4}} \:\left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:\frac{{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} }{{k}−\mathrm{1}}\left\{\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} −\left(−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)^{{k}−\mathrm{1}} \right\} \\ $$$$−\mathrm{3}{C}_{\mathrm{4}} ^{\mathrm{1}} \left(−{ln}\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)\right) \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{{t}−\mathrm{2}}{dt}\:=_{{t}−\mathrm{2}\:={u}} \:\:\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\:\frac{\left({u}−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}} }{{u}}{du} \\ $$$$=\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\frac{\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} {C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \:{u}^{{k}} \left(−\mathrm{3}\right)^{\mathrm{4}−{k}} }{{u}}{du} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{4}} \:\left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \:\:\int_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:{u}^{{k}−\mathrm{1}} \:{du} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{4}} \left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} \left[\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:{u}^{{k}} \right]_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \:\:+{C}_{\mathrm{4}} ^{\mathrm{0}} \:\left[{ln}\mid{u}\mid\right]_{−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} ^{−\mathrm{1}} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{4}} \:\left(−\mathrm{3}\right)^{{k}} \:\frac{{C}_{\mathrm{4}} ^{{k}} }{{k}}\left\{\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} −\left(−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)^{{k}} \right\}−{ln}\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$${we}\:{use}\:{the}\:{same}\:{method}\:{to}\:{find}\:{the}\:{other}\:{integrals}… \\ $$