Question Number 43490 by peter frank last updated on 11/Sep/18
$$\boldsymbol{\mathrm{evaluate}} \\ $$$$\int\sqrt{\boldsymbol{\mathrm{tan}\theta}\:\boldsymbol{\mathrm{d}}\theta} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 11/Sep/18
$${let}\:{I}\:=\int\:\sqrt{{tan}\theta}{d}\theta\:\:\:\:{changement}\:\sqrt{{tan}\theta}\:={x}\:{give}\:{tan}\theta={x}^{\mathrm{2}} \:\nLeftrightarrow\theta={arctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\:\int\:\:{x}\:\:\frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:{dx}\:=\:\int\:\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:{dx}\:\:{let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:β\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{{ax}+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{cx}+{d}}{{x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(β{x}\right)\:={F}\left({x}\right)\:\Rightarrow\frac{β{ax}\:+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:β\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{β{cx}+{d}}{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\:={F}\left({x}\right)\:\Rightarrow{c}=β{a}\:{and}\:{b}={d}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{{ax}+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\:+\frac{β{ax}\:+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:β\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{0}\:=\:\mathrm{2}{b}\:\Rightarrow{b}=\mathrm{0}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{{ax}}{{x}^{\mathrm{2}} +\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}}\:β\frac{{ax}}{{x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)\:=\mathrm{1}\:=\:\:\frac{{a}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\:β\frac{{a}}{\mathrm{2}β\sqrt{\mathrm{2}}}\:\Rightarrow\left(\frac{β\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\right){a}=\mathrm{1}\:\Rightarrow{a}=β\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left\{\:\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\:β\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\right\}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:\int\:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\:β\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:\int\:\:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}}\:{but} \\ $$$$\int\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} β\sqrt{\mathrm{2}}{x}\:+\mathrm{1}}\:=\int\:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:β\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{x}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}\:=\:\int\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}β\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$=_{{x}β\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:=\frac{{u}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} \:\:\:\:\:\int\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:\frac{{du}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:=\:\sqrt{\mathrm{2}}\:\:\int\:\:\frac{{du}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\:=\sqrt{\mathrm{2}}{arctan}\left({u}\right)\:+{c}_{\mathrm{1}} \\ $$$$=\sqrt{\mathrm{2}}{arctan}\left({x}\sqrt{\mathrm{2}}β\mathrm{1}\right)\:+{c}_{\mathrm{1}} =\sqrt{\mathrm{2}}{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}{tan}\theta}β\mathrm{1}\right)\:+{c}_{\mathrm{1}} \:\:\:{also}\:{we}\:{have} \\ $$$$\int\:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}}\:=\:\int\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}\:=_{{x}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}=\frac{{u}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} \:\:\:\:\int\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:\frac{{du}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\sqrt{\mathrm{2}}{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}}{x}+\mathrm{1}\right)\:=\sqrt{\mathrm{2}}{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}{tan}\theta}+\mathrm{1}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\int\:\sqrt{{tan}\theta}{d}\theta\:=\:{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}{tan}\theta}β\mathrm{1}\right)\:β{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}{tan}\theta}+\mathrm{1}\right)\:+{c} \\ $$
Commented by peter frank last updated on 11/Sep/18
$${thanks}\: \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 11/Sep/18
$${t}^{\mathrm{2}} ={tan}\theta \\ $$$$\mathrm{2}{tdt}={sec}^{\mathrm{2}} \theta\:{d}\theta \\ $$$$\frac{\mathrm{2}{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }{dt}={d}\theta \\ $$$$\int\frac{\mathrm{2}{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }Γ{tdt} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }{dt} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{2}}{{t}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}{dt} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}β\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}{{t}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}{dt} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}β\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)^{\mathrm{2}} β\left(\sqrt{\mathrm{2}}\:\right)^{\mathrm{2}} }{dt}+\int\frac{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}{\left({t}β\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\sqrt{\mathrm{2}}\:\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$\int\frac{{d}\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)}{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)^{\mathrm{2}} β\left(\sqrt{\mathrm{2}}\:\right)^{\mathrm{2}} }+\int\frac{{d}\left({t}β\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)}{\left({t}β\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\sqrt{\mathrm{2}}\:\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\mid\frac{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)β\sqrt{\mathrm{2}}\:}{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)+\sqrt{\mathrm{2}}\:}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{tan}^{β\mathrm{1}} \left(\frac{{t}β\frac{\mathrm{1}}{{t}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:}\right)+{c} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\:}{ln}\mid\frac{\sqrt{{tan}\theta}\:+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{tan}\theta}\:}β\sqrt{\mathrm{2}}}{\:\sqrt{{tan}\theta}\:+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{tan}\theta}\:}+\sqrt{\mathrm{2}}}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:}{tan}^{β\mathrm{1}} \left(\frac{\sqrt{{tan}\theta}\:β\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{tan}\theta}\:}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:}\right)+{c} \\ $$$$ \\ $$
Commented by peter frank last updated on 11/Sep/18
$${thanks} \\ $$