Question Number 41703 by abdo.msup.com last updated on 11/Aug/18
$${calculate}\:\:{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{4}}} \:\:\:\frac{{cosx}}{{cos}^{\mathrm{3}} {x}\:+{sin}^{\mathrm{3}} {x}}{dx} \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 12/Aug/18
$${I}\:\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{4}}} \:\:\frac{\frac{{cosx}}{{cos}^{\mathrm{3}} {x}}}{\frac{{cos}^{\mathrm{3}} {x}\:+{sin}^{\mathrm{3}} {x}}{{cos}^{\mathrm{3}} {x}}}\:{dx}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{4}}} \:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{cos}^{\mathrm{2}} {x}\left(\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{3}} {x}\right)}{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{4}}} \frac{\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} {x}}{\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{3}} {x}}\:{dx}\:=_{{tanx}={t}} \:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:\:{let}\:{decompose}\: \\ $$$${F}\left({t}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\left({t}+\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$${F}\left({t}\right)=\frac{{a}}{{t}+\mathrm{1}}\:+\frac{{bt}\:+{c}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{t}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({t}+\mathrm{1}\right){F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}} \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} {tF}\left({t}\right)=\mathrm{0}={a}\:+{b}\:\Rightarrow{b}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{t}\:+{c}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{1}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+{c}\:\Rightarrow{c}=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\frac{{t}−\mathrm{2}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {F}\left({t}\right){dt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left[{ln}\mid{t}+\mathrm{1}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{t}−\mathrm{2}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}}{dt} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}−\mathrm{3}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}}\:{dt} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:−\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}{ln}\mid{t}^{\mathrm{2}} −{t}+\mathrm{1}\mid\:\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{{dt}}{\left({t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \\ $$$$=_{{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{u}} \:\:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\:\int_{−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:{du} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:\:+\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:\left[\:{arctanu}\right]_{−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\:\mathrm{2}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right\} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\frac{\pi}{\mathrm{6}}\:\Rightarrow\:{I}\:=\:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:. \\ $$