Question Number 36944 by maxmathsup by imad last updated on 07/Jun/18
$${find}\:\varphi\left({a}\right)\:=\:\int_{{a}} ^{+\infty} \:\:\:\:\frac{{dx}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} \:−{a}^{\mathrm{2}} }}\:\:\:{with}\:{a}>\mathrm{0} \\ $$
Commented by abdo.msup.com last updated on 07/Jun/18
$${changement}\:{x}={ach}\left({t}\right)\:{give} \\ $$$$\varphi\left({a}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \:\:\:\:\frac{{ash}\left({t}\right){dt}}{\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} {ch}^{\mathrm{2}} {t}\right){ash}\left({t}\right)} \\ $$$$=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}+{ch}\left(\mathrm{2}{t}\right)}{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} {ch}\left(\mathrm{2}{t}\right)} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} \:\:\:\frac{{e}^{\mathrm{2}{t}} \:+{e}^{−\mathrm{2}{t}} }{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{4}+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}\:} \:+{a}^{\mathrm{2}} \:{e}^{\mathrm{2}{t}} \:+{a}^{\mathrm{2}} \:{e}^{−\mathrm{2}{t}} } \\ $$$$=_{{e}^{\mathrm{2}{t}} ={x}} \:\:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{4}\:+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} {x}\:+\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{x}}}\:\frac{{dx}}{\mathrm{2}{x}} \\ $$$$=\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left(\mathrm{4}+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \right){x}\:+{a}^{\mathrm{2}} \:{x}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\:\:\frac{{dx}}{{a}^{\mathrm{2}} \:{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right){x}\:+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:{F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right){x}\:+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Delta^{'} \:=\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} \:−{a}^{\mathrm{4}} =\mathrm{4}\:+\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{4}} \:−{a}^{\mathrm{4}} \\ $$$$=\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4} \\ $$$${x}_{\mathrm{1}} =\frac{−\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right)\:+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${x}_{\mathrm{2}} =\frac{−\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right)\:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{{x}_{\mathrm{1}} −{x}_{\mathrm{2}} }\left\{\:\:\frac{\mathrm{1}}{{x}−{x}_{\mathrm{1}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}−{x}_{\mathrm{2}} }\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:{F}\left({x}\right){dx}=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\:\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \left(\:\:\frac{\mathrm{1}}{{x}−{x}_{\mathrm{1}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}−{x}_{\mathrm{2}} }\right){dx} \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\left[{ln}\mid\:\frac{{x}−{x}_{\mathrm{1}} }{{x}−{x}_{\mathrm{2}} }\mid\right]_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\mid\:\frac{\mathrm{1}−{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{x}_{\mathrm{1}} }\mid\:\:=\varphi\left({a}\right)\:. \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 07/Jun/18
$${t}=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\:{dt}=\frac{−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$${dt}=−{t}^{\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$\frac{{dt}}{−{t}^{\mathrm{2}} }={dx} \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} ^{\mathrm{0}} \:\frac{−{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} }×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }}×\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }−{a}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} ^{\mathrm{0}} \:\frac{−{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} }×\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }×\frac{{t}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} \frac{{tdt}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)×{a}\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{t}^{\mathrm{2}} \:}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} \frac{{tdt}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{t}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${k}^{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{t}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{2}{kdk}=−\mathrm{2}{tdt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int_{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} ^{\mathrm{0}} \frac{−{kdk}}{\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{k}^{\mathrm{2}} \right){k}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} \frac{{dk}}{\left(\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }}\:\right)^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${now}\:{use}\:{formula}.. \\ $$$$\int\frac{{dx}}{{a}^{\mathrm{2}} −{x}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}{ln}\mid\frac{{a}+{x}}{{a}−{x}}\mid \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}×\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }}}\left\{{ln}\mid\frac{\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }}\:+{k}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }}\:−{k}}\mid\right\}_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{{a}}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}×\frac{{a}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\left\{{ln}\mid\frac{\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }\:\:}\:+\frac{\mathrm{1}}{{a}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} \:}}\:−\frac{\mathrm{1}}{{a}}}\mid−{ln}\mid\mathrm{1}\mid\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}×\left\{{ln}\mid\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \:}\:+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1}}\mid\right\} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$