Question Number 87527 by mathmax by abdo last updated on 04/Apr/20
$${find}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{arctan}\left(\mathrm{3}{x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 05/Apr/20
$${let}\:{f}\left({t}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{arctan}\left({tx}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}{dx}\:\:\:{with}\:{t}>\mathrm{0} \\ $$$${we}\:{have}\:{f}^{'} \left({t}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{x}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} \right)\left({x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}\right)}{dx} \\ $$$$=_{{tx}={u}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{u}}{{t}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)\left(\frac{{u}^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} }+\frac{{u}}{{t}}+\mathrm{1}\right)}\frac{{du}}{{t}}\:\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{udu}}{\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)\left({u}^{\mathrm{2}} +{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$${u}^{\mathrm{2}} \:+{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} \:\rightarrow\Delta={t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} =−\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} <\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({u}\right)\:=\frac{{u}}{\left({u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({u}^{\mathrm{2}} \:+{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{{au}+{b}}{{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:+\frac{{cu}\:+{d}}{{u}^{\mathrm{2}} +{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{u}\rightarrow+\infty} {uF}\left({u}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}+{c}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({u}\right)\:=\frac{{au}+{b}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:+\frac{−{au}\:+{d}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{0}\:={b}+{d}\:\Rightarrow{d}=−{b}\:\Rightarrow{F}\left({u}\right)\:=\frac{{au}+{b}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}−\frac{{au}+{b}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+{tu}\:+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}}−\frac{{a}+{b}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:=\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\right)−\left({a}+{b}\right)\:\Rightarrow\mathrm{1}\:=\left({a}+{b}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\right)−\mathrm{2}{a}−\mathrm{2}{b}\:\Rightarrow \\ $$$$\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}−\mathrm{1}\right){a}\:+\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}−\mathrm{1}\right){b}\:=\mathrm{1} \\ $$$${F}\left(−\mathrm{1}\right)=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{−{a}+{b}}{\mathrm{2}}\:+\frac{{a}+{b}}{{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$−\mathrm{1}\:=\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}+\mathrm{1}\right)\left(−{a}+{b}\right)\:+\mathrm{2}\left({a}+{b}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}\:=\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}+\mathrm{1}\right)\left({a}−{b}\right)\:−\mathrm{2}{a}−\mathrm{2}{b}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}\:=\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\right){a}\:−\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\right){b}\:\:{we}\:{get}\:{the}\:{system} \\ $$$$\begin{cases}{\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}−\mathrm{1}\right){a}\:+\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}−\mathrm{1}\right){b}\:=\mathrm{1}}\\{\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\right){a}−\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\right){b}\:=\mathrm{1}}\end{cases} \\ $$$$\Delta\:=−\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}−\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\right)−\left({t}^{\mathrm{2}} \:−{t}−\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$=−\mathrm{2}\left(\left({t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −{t}^{\mathrm{2}} \right)\:=−\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)=−\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\Delta_{{a}} =\begin{vmatrix}{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}−\mathrm{1}}\\{\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\end{vmatrix}=−{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} −{t}\:+\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2} \\ $$$$\Delta_{{b}} =\begin{vmatrix}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}−\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\\{{t}^{\mathrm{2}} −{t}−\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}}\end{vmatrix}={t}^{\mathrm{2}} \:+{t}−\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\:=\mathrm{2}{t}\:\Rightarrow \\ $$$${a}\:=\frac{−\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}{−\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${b}\:=\frac{\mathrm{2}{t}}{−\mathrm{2}\left({t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{−{t}}{{t}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:….{be}\:{continued}… \\ $$