Question Number 98182 by abdomathmax last updated on 12/Jun/20
$$\mathrm{find}\:\int\:\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \sqrt{\frac{\mathrm{2}−\mathrm{x}}{\mathrm{2}+\mathrm{x}}}\mathrm{dx} \\ $$
Answered by MJS last updated on 12/Jun/20
$$\int{x}^{\mathrm{2}} \sqrt{\frac{\mathrm{2}−{x}}{\mathrm{2}+{x}}}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[{t}=\sqrt{\frac{\mathrm{2}+{x}}{\mathrm{2}−{x}}}\:\rightarrow\:{dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\sqrt{\left(\mathrm{2}+{x}\right)\left(\mathrm{2}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }{dt}\right] \\ $$$$=\mathrm{32}\int\frac{\left({t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }{dt}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[\mathrm{Ostrogradski}\right] \\ $$$$=\frac{\mathrm{8}{t}\left(\mathrm{3}{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{9}\right)}{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\mathrm{8}\int\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}= \\ $$$$=\frac{\mathrm{8}{t}\left(\mathrm{3}{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{9}\right)}{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\mathrm{8arctan}\:{t}\:= \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}{x}+\mathrm{8}\right)\sqrt{\mathrm{4}−{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{8arctan}\:\frac{\sqrt{\mathrm{2}+{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}−{x}}}\:= \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}{x}+\mathrm{8}\right)\sqrt{\mathrm{4}−{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{8arcsin}\:\frac{\sqrt{\mathrm{2}+{x}}}{\mathrm{2}}\:+{C} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 12/Jun/20
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{sir}. \\ $$
Answered by 1549442205 last updated on 12/Jun/20
$$\mathrm{Putting}\:\mathrm{x}=\mathrm{2cos}\varphi\left(\varphi\in\left[\mathrm{0};\pi\right]\right)\Rightarrow\mathrm{dx}=−\mathrm{2sin}\varphi\mathrm{d}\varphi \\ $$$$\mathrm{F}=\int\mathrm{4cos}^{\mathrm{2}} \varphi.\mathrm{tan}\frac{\varphi}{\mathrm{2}}\left(−\mathrm{2sin}\varphi\right)\mathrm{d}\varphi.\mathrm{Put}\:\mathrm{tan}\frac{\varphi}{\mathrm{2}}=\mathrm{u} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{du}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{d}\varphi,\mathrm{sin}\varphi=\frac{\mathrm{2u}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} },\mathrm{cos}\:\varphi=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{F}=−\mathrm{8}\int\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} .\mathrm{u}.\frac{\mathrm{2u}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }.\frac{\mathrm{2du}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }=−\mathrm{32}\int\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }\mathrm{du} \\ $$$$=−\mathrm{32}\int\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{6}} −\mathrm{2u}^{\mathrm{4}} +\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }\mathrm{du}=−\mathrm{32}\int\frac{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} −\mathrm{5}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{8}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)−\mathrm{4}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }\mathrm{du} \\ $$$$=−\mathrm{32}\int\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\mathrm{160}\int\frac{\mathrm{du}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{96}\int\frac{\mathrm{du}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\mathrm{128}\int\frac{\mathrm{du}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{4}} }=\mathrm{A}+\mathrm{B}+\mathrm{C}+\mathrm{D} \\ $$$$\mathrm{Note}\:\mathrm{that}\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{the}\:\mathrm{following}\:\mathrm{formula}: \\ $$$$\:\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\int\frac{\mathrm{dt}}{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{n}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)}.\frac{\mathrm{t}}{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }.\frac{\mathrm{2n}−\mathrm{3}}{\mathrm{2n}−\mathrm{2}}.\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{Hence},\mathrm{B}=\mathrm{160I}_{\mathrm{2}} =\mathrm{160}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}.\frac{\mathrm{u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right\}=\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\mathrm{80arctan}\left(\mathrm{u}\right) \\ $$$$\mathrm{C}=−\mathrm{96I}_{\mathrm{3}} =−\mathrm{96}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}.\frac{\mathrm{u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left[\frac{\mathrm{u}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right)\right]\right\} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{24u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{36u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\mathrm{36arctan}\left(\mathrm{u}\right) \\ $$$$\mathrm{D}=\mathrm{128I}_{\mathrm{4}} =\mathrm{128}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}.\frac{\mathrm{u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\mathrm{I}_{\mathrm{3}} \right\}=\mathrm{128}\left\{\frac{\mathrm{u}}{\mathrm{6}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\left[\frac{\mathrm{u}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\left(\frac{\mathrm{3u}}{\mathrm{8}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right)\right)\right]\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{64u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{120}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right) \\ $$$$\mathrm{Thus},\mathrm{F}=−\mathrm{32arctan}\left(\mathrm{u}\right)+\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\mathrm{80arctan}\left(\mathrm{u}\right)−\frac{\mathrm{24u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$−\frac{\mathrm{36u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\mathrm{36arctan}\left(\mathrm{u}\right)+\frac{\mathrm{64u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }+\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{80u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{120}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{156}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right)+\frac{\mathrm{224u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{152u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{64u}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\mathrm{with}\:\mathrm{u}=\mathrm{tan}\frac{\varphi}{\mathrm{2}}\:\mathrm{and}\:\mathrm{x}=\mathrm{2cos}\varphi \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 12/Jun/20
$$\mathrm{thankx}\:\mathrm{sir}. \\ $$