Question Number 42804 by maxmathsup by imad last updated on 02/Sep/18
$${calculate}\:\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\:\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}}\:+\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Sep/18
$${let}\:{I}\:=\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{dx}}{\:\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:+\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}} \\ $$$${I}\:=_{\mathrm{2}{x}={u}} \:\:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{{du}}{\mathrm{2}\left\{\:\sqrt{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:+\sqrt{\left.{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right\}}\right.}\:\Rightarrow\mathrm{2}{I}\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{\sqrt{{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\sqrt{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}{\mathrm{2}}\:\:{du}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{4}{I}\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \sqrt{{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{du}\:−\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \sqrt{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{du}\:\:\:{but} \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\sqrt{\:\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }{du}\:\:=_{{u}={sh}\left({x}\right)} \:\:\:\int_{{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)} ^{{ln}\left(\mathrm{2}\:+\sqrt{\mathrm{5}}\right)} \:\:\:{ch}\left({x}\right){ch}\left({x}\right){dx}\:=\int_{{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)} \:\frac{\mathrm{1}+{ch}\left(\mathrm{2}{x}\right)}{\mathrm{2}}{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\left\{\:{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)−{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)\right\}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\:{sh}\left(\mathrm{2}{x}\right)\right]_{{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)} ^{\left.{ln}−\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)−{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)\right\}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\frac{{e}^{\mathrm{2}{x}} \:−{e}^{−\mathrm{2}{x}} }{\mathrm{2}}\right]_{{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)−{ln}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)\right\}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\left\{\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)^{\mathrm{2}} \:−\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{5}}\right)^{−\mathrm{2}} \:−\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\right)^{−\mathrm{2}} \right\} \\ $$$${also}\:{we}\:{have}\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \sqrt{{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{du}\:=_{{u}={ch}\left({x}\right)} \:\:\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)} {sh}\left({x}\right){sh}\left({x}+{dx}\right. \\ $$$$\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)} \left({ch}\left(\mathrm{2}{x}\right)−\mathrm{1}\right){dx}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\left[{sh}\left(\mathrm{2}{x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\left[\:{e}^{\mathrm{2}{x}} \:−{e}^{−\mathrm{2}{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\left\{\:\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} \:−\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)^{−\mathrm{2}} \right\}\:{so}\:{the}\:{value}\:{of}\:{I}\:{is}\:{determined}. \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 03/Sep/18
$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)−\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{\:\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:+\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:}\:{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\:−\sqrt{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\:{dx} \\ $$$$=\int_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }}\:\:−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }}\:\:{dx} \\ $$$${now}\:{use}\:{formula}\:\:\int\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +{a}^{\mathrm{2}} }\:\:{and}\int\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} }\:{dx} \\ $$$$\mid\frac{{x}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}}{\mathrm{2}}+\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{2}}{ln}\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}\:\right)−\frac{{x}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}}{\mathrm{2}}+\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{2}}{ln}\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}}\:\right)\mid_{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} ^{\mathrm{1}} \\ $$