Question Number 41586 by MJS last updated on 09/Aug/18
$${f}\left({x}\right)=\sqrt{−\mathrm{3}+\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}} \\ $$$$\int{f}\left({x}\right)=? \\ $$$$\int{f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)=? \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 10/Aug/18
$${f}\left({x}\right)={y}\:\Leftrightarrow{x}={f}^{−\mathrm{1}} \left({y}\right)\:\Rightarrow\sqrt{−\mathrm{3}+\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}}\:={y}\:\Rightarrow \\ $$$$\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}\:\:={y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\:\Rightarrow\:\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}\:=\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$${x}+\mathrm{1}={x}\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{1}−\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \right){x}=−\mathrm{1}−\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$${x}=\frac{\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{\left({y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:=\mathrm{1}\:+\frac{\mathrm{2}}{\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)=\:\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int\:{f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right){dx}=\:{x}\:+\mathrm{2}\:\int\:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:+{c}\:{but} \\ $$$$\int\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:=\:\int\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)} \\ $$$$=\:\int\:\:\:\:\left\{\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}\right\}{dx}=\int\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}\:−\int\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}} \\ $$$$\int\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}\:=_{{x}=\sqrt{\mathrm{2}}{t}} \:\:\:\int\:\frac{\sqrt{\mathrm{2}}{dt}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:{arctan}\left(\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right) \\ $$$$\int\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}}\:=_{{x}=\mathrm{2}{t}} \:\:\:\:\int\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{arctan}\left(\frac{{t}}{\mathrm{2}}\right)\Rightarrow \\ $$$$\int\:{f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right){dx}\:=\:{x}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:{arctan}\left(\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arctan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)+{c} \\ $$
Answered by MJS last updated on 09/Aug/18
$$\int\sqrt{−\mathrm{3}+\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[{t}=\sqrt{−\mathrm{3}+\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}}\:\rightarrow\:{dx}=−\frac{\mathrm{8}{t}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} \left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\right] \\ $$$$=−\mathrm{8}\int\frac{{t}^{\mathrm{2}} \left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} \left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}= \\ $$$$=−\mathrm{8}\int\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)}\right){dt}= \\ $$$$=\mathrm{4}\int\frac{{dt}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{8}\int\frac{{dt}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}\int\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}+\mathrm{2}\int\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[\int\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +{p}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{{x}}{\mathrm{2}{p}\left({x}^{\mathrm{2}} +{p}\right)}+\frac{\sqrt{{p}^{\mathrm{3}} }}{\mathrm{2}{p}^{\mathrm{3}} }\mathrm{arctan}\:\frac{{x}\sqrt{{p}}}{{p}}\right] \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[\int\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +{p}}=\frac{\sqrt{{p}}}{{p}}\mathrm{arctan}\:\frac{{x}\sqrt{{p}}}{{p}}\right] \\ $$$$=\frac{{t}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\:\frac{{t}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\:−\frac{{t}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\:\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:−\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\:\frac{{t}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\:+\mathrm{arctan}\:\frac{{t}}{\mathrm{2}}= \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}{t}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{arctan}\:\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:−\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\:\frac{{t}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\right)= \\ $$$$=\sqrt{\left(\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{3}\sqrt{{x}−\mathrm{1}}\right)\sqrt{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\sqrt{−\mathrm{3}+\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}}\right)−\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\sqrt{−\mathrm{6}+\mathrm{2}\sqrt{\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{1}}}}\right)\right)+{C} \\ $$
Answered by ajfour last updated on 10/Aug/18
$$\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} =\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{{x}−\mathrm{1}} \\ $$$${x}=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$${f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$${I}=\int\left[\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right]{dx} \\ $$$$=\:{x}+\mathrm{2}{I}_{\mathrm{1}} \\ $$$${I}_{\mathrm{1}} =\int\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:=\:\int\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)} \\ $$$$\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}} \\ $$$${hence} \\ $$$$\int{f}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right){dx}\:=\:{x}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \frac{{x}}{\mathrm{2}}+{c}\:. \\ $$