Question Number 124566 by bemath last updated on 04/Dec/20
$$\:\int\:\frac{{dx}}{\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }\: \\ $$
Answered by liberty last updated on 05/Dec/20
$$\:\int\:\frac{{dx}}{\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:? \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\:=\:\frac{{x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}{{x}^{\mathrm{2}} −\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\:=\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:−{x} \\ $$$$\int\:\frac{{dx}}{\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\int\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:−{x}\right)^{\mathrm{2}} \:{dx}\: \\ $$$$\int\:\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\mathrm{2}{x}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:{dx}\:=\:\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}{x}^{\mathrm{3}} +{x}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:+\:{c} \\ $$$$\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left[{x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\right]\:+\:{c}\: \\ $$$$\:=\:\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left[\:\frac{−\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\:\right]\:+\:{c}\: \\ $$$$\:=\:−\frac{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)}\:+\:{c}\: \\ $$$${If}\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\:\infty} {\int}}\:\frac{{dx}}{\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\underset{{p}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\left[\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\:\right]_{\mathrm{0}} ^{{p}} \\ $$$$\:=\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\left[\:\underset{{p}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\:−\mathrm{1}\:\right]\:=\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\:\left[\mathrm{0}−\mathrm{1}\right] \\ $$$$\:=\:\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}} \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 04/Dec/20
$$\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}={t}\:\:\Rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)\left({x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)}=\frac{{dt}}{{dx}} \\ $$$$=−\int\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:{tdt}\:\:\: \\ $$$$=−\int{t}\sqrt{\left(\frac{{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{t}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:{dt} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\sqrt{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}{t}^{\mathrm{3}} −\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\right)^{\mathrm{3}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left({x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{3}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)+{C} \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 04/Dec/20
$$\mathcal{I}=\int\frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{t}=\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:,\:\mathrm{x}=\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2t}},\:\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2t}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt} \\ $$$$\mathcal{I}=\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\centerdot\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2t}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\right\}\mathrm{dt} \\ $$$$\:\:\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3t}^{\mathrm{3}} }\right\}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\centerdot\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{3}} }+\mathcal{C}\right\} \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 04/Dec/20
$$\mathcal{I}=\int\frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{x}=\mathrm{tan}\theta\:\Rightarrow\:\mathrm{dx}=\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{d}\theta \\ $$$$\mathcal{I}=\int\frac{\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{tan}\theta+\sqrt{\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \theta+\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} }=\int\frac{\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{tan}\theta+\mathrm{sec}\theta\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\:\:\:=\int\frac{\mathrm{d}\theta}{\left(\mathrm{sin}\theta+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\int\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{sin}\theta\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}−\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{d}\theta \\ $$$$\:\:\:=\int\left\{\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2sin}\theta+\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta}{\mathrm{cos}^{\mathrm{4}} \theta}\right\}\mathrm{d}\theta=\int\left\{\frac{\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \theta−\mathrm{2sin}\theta+\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \theta}{\mathrm{cos}^{\mathrm{4}} \theta}\right\}\mathrm{d}\theta \\ $$$$\:\:\:=\int\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{d}\theta+\mathrm{2}\int\frac{\left(−\mathrm{sin}\theta\right)}{\mathrm{cos}^{\mathrm{4}} \theta}\mathrm{d}\theta+\mathrm{2}\int\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \theta\mathrm{d}\theta \\ $$$$\:\:\:=\mathrm{tan}\theta−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3cos}^{\mathrm{3}} \theta}+\frac{\mathrm{2tan}^{\mathrm{3}} \theta}{\mathrm{3}}+\mathcal{C} \\ $$$${where}\:\theta=\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}\right) \\ $$