Question Number 54372 by maxmathsup by imad last updated on 02/Feb/19
$${let}\:\:{f}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{{x}+{sint}}{dt}\:\:\: \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:\:{f}\left({x}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{calculate}\:{g}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }\:{dt}\: \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{calculste}\:{for}\:{n}\in{N}\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{{n}} }{dt}\: \\ $$$$\left.\mathrm{4}\right)\:{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\:\frac{{sint}}{\mathrm{2}+{sint}}{dt}\:\:{and}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left(\mathrm{2}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:. \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Feb/19
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:{f}\left({x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{{x}+{sint}\:−{x}}{{x}+{sint}}{dt}\:=\mathrm{2}\pi\:−{x}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\:\frac{{dt}}{{x}+{sint}}\:\:{chang}.{e}^{{it}} ={z}\:{give} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{dt}}{{x}+{sint}}\:=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{x}\:+\frac{{z}−{z}^{−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}{i}}}\:\frac{{dz}}{{iz}}\:=\:\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{dz}}{{iz}\left({x}+\frac{{z}−{z}^{−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}{i}}\right)} \\ $$$$=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\frac{{dz}}{{ixz}\:+\frac{{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}\:=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dz}}{\mathrm{2}{ixz}+{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:=\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dz}}{{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{ixz}\:−\mathrm{1}} \\ $$$${let}\:\varphi\left({z}\right)\:=\frac{\mathrm{2}}{{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ixz}\:−\mathrm{1}}\:\:{poles}\:{of}\:\varphi\:? \\ $$$$\Delta^{'} =−{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\:=\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \\ $$$${case}\:\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} >\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{z}_{\mathrm{1}} =\:−{ix}\:+\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{and}\:{z}_{\mathrm{2}} =−{ix}−\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid−\mathrm{1}\:=\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{1}−\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid=\mathrm{1} \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid\:−\mathrm{1}\:=\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\:\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid=\mathrm{1} \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\:\left\{{Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:+{Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{2}} \right)\right\}\:{but}\:\varphi\left({z}\right)=\frac{\mathrm{2}}{\left({z}−{z}_{\mathrm{1}} \right)\left({z}−{z}_{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:\:=\frac{\mathrm{2}}{{z}_{\mathrm{1}} −{z}_{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{2}} \right)\:=\:\frac{\mathrm{2}}{{z}_{\mathrm{2}} −{z}_{\mathrm{1}} }\:=\frac{\mathrm{2}}{−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}\:=\frac{−\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}\:\Rightarrow\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{0}\:\:\Rightarrow{f}\left({x}\right)=\mathrm{2}\pi \\ $$$${case}\mathrm{2}\:\:\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} <\mathrm{0}\:\Rightarrow\mid{x}\mid>\mathrm{1}\:\Rightarrow\Delta^{'} =\left({i}\sqrt{\left.{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$${z}_{\mathrm{1}} =−{ix}\:+{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:{and}\:{z}_{\mathrm{2}} =−{ix}−{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\:\:\:{if}\:{x}>\mathrm{1} \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid\:−\mathrm{1}\:=\mid{x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\mid\:−\mathrm{1}\:\:={x}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}−\mathrm{1}\:={x}−\mathrm{1}−\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$$$\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)={x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{x}\:+\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}\left({x}−\mathrm{1}\right)<\mathrm{0}\:\Rightarrow\mid{z}_{\mathrm{1}} \mid<\mathrm{1} \\ $$$$\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid−\mathrm{1}\:=\mid{x}+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\mid−\mathrm{1}\:={x}−\mathrm{1}\:+\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}>\mathrm{0}\:\Rightarrow\mid{z}_{\mathrm{2}} \mid>\mathrm{1}\:\left({out}\:{of}\:{circle}\right) \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \:\varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}{i}\pi\:{Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right) \\ $$$${Res}\left(\varphi,{z}_{\mathrm{1}} \right)\:=\frac{\mathrm{2}}{{z}_{\mathrm{1}} −{z}_{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mid{z}\mid=\mathrm{1}} \varphi\left({z}\right){dz}\:=\mathrm{2}\pi\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow{f}\left({x}\right)=\mathrm{2}\pi\:−\frac{\mathrm{2}\pi{x}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}} \\ $$$$=\mathrm{2}\pi\left\{\frac{\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}−{x}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\right\}\:.{rest}\:{to}\:{study}\:{the}\:{case}\:{x}<−\mathrm{1}… \\ $$$$ \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Feb/19
$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have}\:{f}\left({x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{{x}+{sint}}\:{dt}\:\Rightarrow{f}^{'} \left({x}\right)\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left({x}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }{dt}\:=−{g}\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${g}\left({x}\right)=−{f}^{'} \left({x}\right) \\ $$$${case}\:\mathrm{1}\:\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\Rightarrow{f}\left({x}\right)=\mathrm{2}\pi\:\Rightarrow{g}^{'} \left({x}\right)=\mathrm{0} \\ $$$${case}\:\mathrm{2}\:\:{x}>\mathrm{1}\:\Rightarrow{f}\left({x}\right)=\mathrm{2}\pi\:−\mathrm{2}\pi\:\frac{{x}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\Rightarrow{g}^{'} \left({x}\right)=+\mathrm{2}\pi\:\left(\frac{{x}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\right)^{'} \\ $$$$=\mathrm{2}\pi\:\frac{\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}−{x}\:\:\frac{{x}}{\:\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}}{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:=\mathrm{2}\pi\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:=−\frac{\mathrm{2}\pi}{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Feb/19
$$\left.\mathrm{4}\right)\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\frac{{sint}}{\mathrm{2}\:+{sint}}{dt}\:={f}\left(\mathrm{2}\right)\:=\mathrm{2}\pi\:−\mathrm{2}\pi\:\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:=\mathrm{2}\pi\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)=\frac{\mathrm{2}\pi\left(\sqrt{\mathrm{3}}−\mathrm{2}\right)}{\:\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \:\:\frac{{sint}}{\left(\mathrm{2}+{sint}\right)^{\mathrm{2}} }\:{dt}\:={g}\left(\mathrm{2}\right)=\frac{−\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 03/Feb/19
$$\left.\mathrm{1}\right)\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \frac{{sint}}{{x}+{sint}}{dt} \\ $$$$\int\frac{{x}+{sint}−{x}}{{x}+{sint}}{dt} \\ $$$$\int{dt}−{x}\int\frac{{dt}}{{x}+\frac{\mathrm{2}{tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}}{\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}}} \\ $$$$\int{dt}−{x}\int\frac{{sec}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}}{{xtan}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}+{x}+\mathrm{2}{tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}}{dt} \\ $$$$\int{dt}−\int\frac{{sec}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}}{{tan}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}+\mathrm{2}{tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{{x}}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\int{dt}−\mathrm{2}\int\frac{{sec}^{\mathrm{2}} \frac{{t}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}{\left({tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}\:\right)^{\mathrm{2}} }\: \\ $$$$\int{dt}−\mathrm{2}\int\frac{{d}\left({tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)}{\left({tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}\:\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${so}\:{answer}\:{is} \\ $$$$\mid{t}−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}}{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{tan}\frac{{t}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}\:}\right)\mid_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \\ $$$$=\left[\mathrm{2}\pi−\left\{\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}}{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{tan}\pi+\frac{\mathrm{1}}{{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}}−\frac{{tan}\mathrm{0}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}}\right)\right]\right. \\ $$$$=\mathrm{2}\pi \\ $$$${pls}\:{check}\:{mistKe}\:{if}\:{any}… \\ $$