Question Number 50423 by Abdo msup. last updated on 16/Dec/18
$${find}\:{f}\left({a}\right)\:=\int_{{a}} ^{+\infty} \:\:\:\frac{{dx}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} }}\:\:{with}\:{a}>\mathrm{0} \\ $$
Commented by Abdo msup. last updated on 17/Dec/18
$${changement}\:{x}={ach}\left({t}\right)\:{give}\:{t}={argch}\left(\frac{{x}}{{a}}\right) \\ $$$${f}\left({a}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \:\:\frac{{ash}\left({t}\right){dt}}{\left(\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} {ch}^{\mathrm{2}} \left({t}\right)\right){ash}\left({t}\right)} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}+{ch}\left(\mathrm{2}{t}\right)}{\mathrm{2}}}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{2}\:+{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} \frac{{e}^{\mathrm{2}{t}} \:+{e}^{−\mathrm{2}{t}} }{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{4}{dt}}{\mathrm{4}\:+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} \:{e}^{\mathrm{2}{t}} \:+{a}^{\mathrm{2}} {e}^{−\mathrm{2}{t}} } \\ $$$$=_{{e}^{\mathrm{2}{t}} \:={u}} \:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{4}+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} {u}\:+{a}^{\mathrm{2}} {u}^{−\mathrm{1}} }\:\frac{{du}}{\mathrm{2}{u}} \\ $$$$=\mathrm{2}\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\frac{{du}}{\left(\mathrm{4}+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \right){u}\:+{a}^{\mathrm{2}} {u}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{du}}{{a}^{\mathrm{2}} {u}^{\mathrm{2}} \:+\left(\mathrm{4}+\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \right){u}\:+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Delta^{'} =\left(\mathrm{2}+{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{4}} =\mathrm{4}+\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} >\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$${u}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{2}−{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${u}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{2}−{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({u}\right)=\frac{\mathrm{2}}{\left({u}−{u}_{\mathrm{1}} \right)\left({u}−{u}_{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{2}}{{u}_{\mathrm{1}} −{u}_{\mathrm{2}} }\left(\frac{\mathrm{1}}{{u}−{u}_{\mathrm{1}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{{u}−{u}_{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\left(\frac{\mathrm{1}}{{u}−{u}_{\mathrm{1}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{{u}−{u}_{\mathrm{2}} }\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:{F}\left({u}\right){du}\:=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\left[{ln}\mid\frac{{u}−{u}_{\mathrm{1}} }{{u}−{u}_{\mathrm{2}} }\mid\right]_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\mid\frac{\mathrm{1}−{u}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{u}_{\mathrm{1}} }\mid\: \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\mid\frac{\mathrm{1}−\frac{−\mathrm{2}−{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{1}−\frac{−\mathrm{2}−{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} }}\mid \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\mid\frac{\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\mid \\ $$$$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\mid\frac{{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\mid\:={f}\left({a}\right) \\ $$$$ \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 17/Dec/18
$$\int\frac{{dx}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${t}=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\:{x}=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:\:{dx}=\frac{−\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$\int\frac{−{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }\right)\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }−{a}^{\mathrm{2}} }\:} \\ $$$$\int\frac{−{tdt}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{{a}}\int\frac{{tdt}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{t}^{\mathrm{2}} }\:} \\ $$$${k}={t}^{\mathrm{2}} \:\:{dk}=\mathrm{2}{tdt} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}\int\frac{{dk}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{k}}} \\ $$$${p}^{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{k}\:\:\:\:\mathrm{2}{pdp}=−{dk} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}\int\frac{−\mathrm{2}{pdp}}{\left(\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{p}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right){p}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int\frac{{dp}}{\left(\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)−{p}^{\mathrm{2}} }\:{formula}\left[\:\int\frac{{dx}}{{a}^{\mathrm{2}} −{x}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}{ln}\left(\frac{{a}+{x}}{{a}−{x}}\right)\right] \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{a}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\left(\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)}\:}×{ln}\left(\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}}\:+{p}}{\:\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}}\:−{p}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\left(\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}}\:+\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{k}}\:}{\:\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}}\:−\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }−{k}}\:}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {k}}\:}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {k}}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} }}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\sqrt{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} }\:}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\mid{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\sqrt{\mathrm{1}−\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} }}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\sqrt{\mathrm{1}−\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} }}}\right)\mid_{{a}} ^{\infty} \\ $$$$\left.=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}\left[\left\{{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{0}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{0}}}\right)\right\}−{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\sqrt{\mathrm{0}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\sqrt{\mathrm{0}}}\right)\right\}\right] \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }}{ln}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{a}^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1}}\right) \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Commented by Abdo msup. last updated on 17/Dec/18
$${thank}\:{you}\:{sir}\:{tanmay}. \\ $$