Question Number 52363 by Necxx last updated on 06/Jan/19
$${integrate}\:\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} {x}\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} {x}\:}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}}{dx} \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 07/Jan/19
$$=\left(−\mathrm{1}\right)\int\frac{\mathrm{1}−{sin}^{\mathrm{2}} {xcos}^{\mathrm{2}} {x}−\mathrm{1}}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}}{dx} \\ $$$$=\left(−\mathrm{1}\right)\int\frac{\left(\mathrm{1}+{sinxcosx}\right)\left(\mathrm{1}−{sinxcosx}\right)−\mathrm{1}}{\left({sinx}+{cosx}\right)\left(\mathrm{1}−{sinxcosx}\right)}{dx} \\ $$$$=\left(−\mathrm{1}\right)\int\frac{\mathrm{1}+{sinxcosx}}{{sinx}+{cosx}}{dx}+\int\frac{{dx}}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\int\frac{\mathrm{1}+\left({sinx}+{cosx}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({sinx}+{cosx}\right)}+\int\frac{{dx}}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\int\frac{{dx}}{{sinx}+{cosx}}+\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\int\left({sinx}+{cosx}\right){dx}+ \\ $$$$\:\:\:\:\int\frac{{dx}}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}} \\ $$$${I}_{\mathrm{1}} =\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\int\frac{{dx}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:}{sinx}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{cosx}\right)} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\int\frac{{dx}}{{sin}\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\int{cosec}\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right){dx} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\right){lntan}\left(\frac{{x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}}{\mathrm{2}}\right)=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\right){lntan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}+\frac{\pi}{\mathrm{8}}\right)\leftarrow{I}_{\mathrm{1}} \\ $$$${I}_{\mathrm{2}} =\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\int{sinx}+{cosx}\:{dx} \\ $$$$=\left(\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\left[−{cosx}+{sinx}\right]\leftarrow{I}_{\mathrm{2}} \\ $$$$\int\frac{{dx}}{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+{cos}^{\mathrm{3}} {x}} \\ $$$${t}={tan}\frac{{x}}{\mathrm{2}}\:\:{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{sec}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right){dx} \\ $$$$\int\frac{\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\frac{\mathrm{2}{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{3}} +\left(\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{3}} }\:\:?\boldsymbol{{pls}}\:\boldsymbol{{waitfor}}\:\boldsymbol{{I}}_{\mathrm{3}} \\ $$$$ \\ $$
Answered by MJS last updated on 07/Jan/19
$$\int\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:{x}\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:{x}}{\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \:{x}\:+\mathrm{cos}^{\mathrm{3}} \:{x}}{dx}=\int\frac{\frac{\mathrm{1}−\mathrm{cos}\:\mathrm{4}{x}}{\mathrm{8}}}{\frac{\mathrm{3sin}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)+\mathrm{cos}\:\left(\mathrm{3}{x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}}{dx}= \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{1}−\mathrm{cos}\:\mathrm{4}{x}}{\mathrm{3sin}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)+\mathrm{cos}\:\left(\mathrm{3}{x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\left[{t}={x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\:\rightarrow\:{dx}={dt}\right] \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{1}+\mathrm{cos}\:\mathrm{4}{t}}{\mathrm{sin}\:\mathrm{3}{t}\:+\mathrm{3sin}\:{t}}{dt}=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{1}−\mathrm{4sin}^{\mathrm{2}} \:{t}\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:{t}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2cos}^{\mathrm{2}} \:{t}\right)\mathrm{sin}\:{t}}{dt}= \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{1}+\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \:{t}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2cos}^{\mathrm{2}} \:{t}\right)\mathrm{sin}\:{t}}{dt}−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\int\mathrm{sin}\:{t}\:{dt}= \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\left(\mathrm{1}\right)\:\:\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{1}+\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \:{t}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2cos}^{\mathrm{2}} \:{t}\right)\mathrm{sin}\:{t}}{dt}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left[{u}=\mathrm{cos}\:{t}\:\rightarrow\:{dt}=−\frac{{du}}{\mathrm{sin}\:{t}}=−\frac{{du}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−{u}^{\mathrm{2}} }}\right] \\ $$$$\:\:\:\:\:=−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\int\frac{\mathrm{2}{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}}{\left({u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{du}= \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\int\frac{{du}}{{u}−\mathrm{1}}−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\int\frac{{du}}{{u}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\int\frac{{du}}{\mathrm{2}{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}= \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\left({u}−\mathrm{1}\right)\:−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\left({u}+\mathrm{1}\right)\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\:\left(\sqrt{\mathrm{2}}{u}\right)= \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\frac{\mathrm{cos}\:{t}\:−\mathrm{1}}{\mathrm{cos}\:{t}\:+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\:\left(\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:{t}\right) \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\left(\mathrm{2}\right)\:\:−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\int\mathrm{sin}\:{t}\:{dt}=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:{t} \\ $$$$ \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\frac{\mathrm{cos}\:{t}\:−\mathrm{1}}{\mathrm{cos}\:{t}\:+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\:\left(\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:{t}\right)\:+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:{t}\:= \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\frac{\mathrm{cos}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\:−\mathrm{1}}{\mathrm{cos}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\:+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\:\left(\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\right)\:+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{cos}\:\left({x}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\:= \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{24}}\mathrm{ln}\:\mid\frac{\mathrm{2}−\left(\mathrm{cos}\:{x}\:−\mathrm{sin}\:{x}\right)\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\left(\mathrm{cos}\:{x}\:−\mathrm{sin}\:{x}\right)\sqrt{\mathrm{2}}}\mid\:−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\mathrm{arctan}\:\left(\mathrm{cos}\:{x}\:−\mathrm{sin}\:{x}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{cos}\:{x}\:−\mathrm{sin}\:{x}\right)\:+{C} \\ $$