Question Number 33736 by prof Abdo imad last updated on 23/Apr/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:\:\:\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{x}\:+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 23/Apr/18
$${let}\:\:{use}\:{residus}\:{theorem}\:{we}\:{have} \\ $$$${I}\:=\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:\:\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\:\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{ch}.\:{x}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:{t} \\ $$$${give}\:\:\:{I}\:=\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:\:\:\:\frac{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}{t}}{\mathrm{2}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}{t}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{\mathrm{2}} }\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{16}}{\mathrm{9}}\:.\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{t}\:+\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\:{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{t}\:+\mathrm{1}}{\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{dt}\:\:.{let}\:{consider} \\ $$$${the}\:{complex}\:{function}\:\varphi\left({z}\right)\:=\:\frac{\mathrm{3}{z}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{z}+\mathrm{1}}{\left({z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${the}\:{poles}\:{of}\:\varphi\:{are}\:{i}\:{and}−{i}\:\left({doubles}\right) \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\:\pi\:{Res}\left(\varphi,{i}\right) \\ $$$${Res}\left(\varphi,{i}\right)\:={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}−\mathrm{1}\right)!}\left(\left({z}−{i}\right)^{\mathrm{2}} \varphi\left({z}\right)\right)^{'} \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \left(\:\:\frac{\mathrm{3}{z}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{z}\:+\mathrm{1}}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} }\right)^{'} \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\:\frac{\left(\mathrm{6}{z}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\left({z}+{i}\right)\left(\mathrm{3}{z}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}{z}\:+\mathrm{1}\right)}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$={lim}_{{z}\rightarrow{i}} \:\frac{\left(\mathrm{6}{z}\:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\left({z}+{i}\right)\:−\mathrm{2}\left(\mathrm{3}{z}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{z}\:+\mathrm{1}\right)}{\left({z}+{i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\:\frac{\left(\mathrm{6}{i}\:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\left(\mathrm{2}{i}\right)\:−\mathrm{2}\left(\:\mathrm{3}{i}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}\:{i}\:+\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{2}{i}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{−\mathrm{12}\:−\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}\:{i}\:+\mathrm{6}\:\:\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}{i}\:−\mathrm{2}}{−\mathrm{8}{i}}\:=\:\frac{−\mathrm{8}}{−\mathrm{8}{i}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{i}}\:\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\left(\frac{\mathrm{1}}{{i}}\right)=\mathrm{2}\pi\:\Rightarrow \\ $$$${I}=\:\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\:.\left(\mathrm{2}\pi\right)\:=\frac{\mathrm{4}\pi\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}} \\ $$$$\bigstar\:{I}\:=\frac{\mathrm{4}\pi\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\:\bigstar\: \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Answered by MJS last updated on 28/Apr/18
$$\mathrm{O}{s}\mathrm{trogradski}'\mathrm{s}\:\mathrm{Method}: \\ $$$$\int\frac{{P}\left({x}\right)}{{Q}\left({x}\right)}{dx}=\frac{{P}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}+\int\frac{{P}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{dx} \\ $$$${Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)={gcd}\left({Q}\left({x}\right);{Q}'\left({x}\right)\right) \\ $$$${Q}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)=\frac{{Q}\left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)} \\ $$$$ \\ $$$${P}\left({x}\right)={x}^{\mathrm{2}} \\ $$$${Q}\left({x}\right)=\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$${Q}'\left({x}\right)=\mathrm{2}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right) \\ $$$${gcd}\left({Q}\left({x}\right);{Q}'\left({x}\right)\right)=\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)={Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)={Q}_{\mathrm{2}} \left({x}\right) \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{to}\:\mathrm{get}\:{P}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)={k}_{\mathrm{1}} {x}+{k}_{\mathrm{2}} ,\:{P}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)={k}_{\mathrm{3}} {x}+{k}_{\mathrm{4}} \\ $$$$\frac{{P}\left({x}\right)}{{Q}\left({x}\right)}=\left(\frac{{P}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}\right)^{'} +\frac{{P}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)} \\ $$$$\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{{k}_{\mathrm{1}} \left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)−\left({k}_{\mathrm{1}} {x}+{k}_{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{{k}_{\mathrm{3}} {x}+{k}_{\mathrm{4}} }{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left[\mathrm{multiplicate}\:\mathrm{with}\:\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right] \\ $$$${x}^{\mathrm{2}} ={k}_{\mathrm{3}} {x}^{\mathrm{3}} +\left(−{k}_{\mathrm{1}} +{k}_{\mathrm{3}} +{k}_{\mathrm{4}} \right){x}^{\mathrm{2}} +\left(−\mathrm{2}{k}_{\mathrm{2}} +{k}_{\mathrm{3}} +{k}_{\mathrm{4}} \right){x}+\left({k}_{\mathrm{1}} −{k}_{\mathrm{2}} +{k}_{\mathrm{4}} \right) \\ $$$${k}_{\mathrm{3}} =\mathrm{0} \\ $$$$−{k}_{\mathrm{1}} +{k}_{\mathrm{3}} +{k}_{\mathrm{4}} =\mathrm{1} \\ $$$$−\mathrm{2}{k}_{\mathrm{2}} +{k}_{\mathrm{3}} +{k}_{\mathrm{4}} =\mathrm{0} \\ $$$${k}_{\mathrm{1}} −{k}_{\mathrm{2}} +{k}_{\mathrm{4}} =\mathrm{0} \\ $$$${k}_{\mathrm{1}} =−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}};\:{k}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}};\:{k}_{\mathrm{3}} =\mathrm{0};\:{k}_{\mathrm{4}} =\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}} \\ $$$${P}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)=−\frac{{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{3}};\:{P}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}} \\ $$$$ \\ $$$$\int\frac{{P}\left({x}\right)}{{Q}\left({x}\right)}{dx}=\frac{{P}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{1}} \left({x}\right)}+\int\frac{{P}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{{Q}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{dx}= \\ $$$$=−\frac{{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}=\frac{\mathrm{4}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{u}=\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\rightarrow\:{dx}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{du} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{x}=\frac{{u}\sqrt{\mathrm{3}}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{3}}\int\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{3}{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)}{du}=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\int\frac{\mathrm{1}}{{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{du}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\mathrm{arctan}\:{u} \\ $$$$=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\mathrm{arctan}\:\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\right) \\ $$$$ \\ $$$$\int\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\mathrm{arctan}\:\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\right)−\frac{{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)}+{C} \\ $$$$ \\ $$$$\underset{−\infty} {\overset{\infty} {\int}}\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\pi \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 23/Apr/18
$${thank}\:{you}\:{sir}\:{for}\:{this}\:{new}\:{method}… \\ $$
Answered by sma3l2996 last updated on 23/Apr/18
$${I}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{x}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}−\left({x}+\mathrm{1}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}{dx}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{2}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dx}}{\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dx}}{\left(\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dx}}{\left(\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}\right]_{−\infty} ^{+\infty} −\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{9}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dx}}{\left(\left(\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:\:{t}=\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\Rightarrow{dx}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{dt} \\ $$$${so}\:\:{I}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \frac{{dt}}{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:\:{t}={tanu}\Rightarrow{dt}=\left(\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} {u}\right){du} \\ $$$${I}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left[{tan}^{−\mathrm{1}} \left({t}\right)\right]_{−\infty} ^{+\infty} −\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\int_{−\pi/\mathrm{2}} ^{\pi/\mathrm{2}} \frac{{du}}{\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} {u}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\pi−\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\int_{−\pi/\mathrm{2}} ^{\pi/\mathrm{2}} {cos}^{\mathrm{2}} \left({u}\right){du} \\ $$$$\int_{−\pi/\mathrm{2}} ^{\pi/\mathrm{2}} {cos}^{\mathrm{2}} \left({u}\right){du}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\pi/\mathrm{2}} ^{\pi/\mathrm{2}} \left({cos}\left(\mathrm{2}{u}\right)+\mathrm{1}\right){du}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{sin}\left(\mathrm{2}{x}\right)+{x}\right]_{−\pi/\mathrm{2}} ^{\pi/\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$$${I}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\pi−\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\pi \\ $$
Commented by MJS last updated on 23/Apr/18
$$\mathrm{just}\:\mathrm{a}\:\mathrm{minor}\:\mathrm{mistake}\:\mathrm{in}\:\mathrm{the}\:\mathrm{last}\:\mathrm{line} \\ $$$${I}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\pi−\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{9}}\pi \\ $$