Question Number 98721 by mathmax by abdo last updated on 15/Jun/20
$$\mathrm{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{by}\:\mathrm{using}\:\mathrm{residue}\:\mathrm{theorem} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{by}\:\mathrm{using}\:\mathrm{complex}\:\mathrm{decomposition} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 16/Jun/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow\mathrm{2I}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\mathrm{poles}\:\mathrm{of}\:\varphi? \\ $$$$\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{u}+\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\:\left(\mathrm{u}=\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\Delta\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{u}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}} \:\:\:,\:\:\mathrm{u}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\:\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\right\} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{4i}\:\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{4i}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:+\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\right\}\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{2cos}\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{2}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{I}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$ \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 16/Jun/20
$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{let}\:\mathrm{use}\:\mathrm{complex}\:\mathrm{decompositon}\:\:\mathrm{2I}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{t}\:+\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\:\:\left(\mathrm{t}=\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\Delta\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{t}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \:\:\mathrm{and}\:\:\mathrm{t}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\:+\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{x}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\:+\frac{\mathrm{c}}{\mathrm{x}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\:+\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{x}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} } \\ $$$$\mathrm{a}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:,\:\:\mathrm{b}\:=\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=−\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{c}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=−\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:,\:\:\mathrm{d}\:=\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\:−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\right. \\ $$$$\left.+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }\right\}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{proved}\:\mathrm{thst}\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}−\mathrm{a}}\:=\mathrm{i}\pi\:\mathrm{if}\:\mathrm{im}\left(\mathrm{a}\right)>\mathrm{0}\:\mathrm{and} \\ $$$$−\mathrm{i}\pi\:\mathrm{if}\:\mathrm{Im}\left(\mathrm{a}\right)<\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\left(\mathrm{i}\pi\right)\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\:−\left(−\mathrm{i}\pi\right)\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:−\left(−\mathrm{i}\pi\right)\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\left(\mathrm{i}\pi\right)\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right\} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right\}\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right\}\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\mathrm{2cos}\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}\right)\right) \\ $$$$=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:=\mathrm{2I}\:\Rightarrow\:\mathrm{I}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$