Question Number 50427 by Abdo msup. last updated on 16/Dec/18
$${let}\:{I}_{{n}} \left(\lambda\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\:\frac{{vos}\left({nt}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda{cost}\:+\lambda^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right){calculate}\:{I}_{\mathrm{0}} \left(\lambda\right)\:{and}\:{I}_{\mathrm{1}} \left(\lambda\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{relation}\:{between}\:{I}_{{n}−\mathrm{1}} ,{I}_{{n}} \:{and}\:{I}_{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{calculate}\:{I}_{{n}} \left(\lambda\right). \\ $$
Commented by Abdo msup. last updated on 20/Dec/18
$$\left.\mathrm{1}\right){I}_{\mathrm{0}} \left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda{cost}\:+\lambda^{\mathrm{2}} }\:\:{changement}\:{tan}\left(\frac{{t}}{\mathrm{2}}\right)={x} \\ $$$${give}\:{I}_{\mathrm{0}} \left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\lambda\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right)}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda\right){x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}} \\ $$$${case}\:\mathrm{1}\:\:\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}>\mathrm{0}\:\:{we}\:{do}\:{the}\:{changement}\: \\ $$$${x}=\sqrt{\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}}{u}\:\Rightarrow{I}_{\mathrm{0}} \left(\lambda\right)=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}}}{\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}{du} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\:\frac{\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{du}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{4}\lambda^{\mathrm{2}} }}\:\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{4}\lambda^{\mathrm{2}} }}\:. \\ $$$${case}\:\mathrm{2}\:\:\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}<\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{I}_{\mathrm{0}} \left(\lambda\right)=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −\left(\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left(\frac{\mathrm{1}}{{x}−\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}}\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}}\right){dx} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{4}\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}}\:\left[{ln}\mid\frac{{x}−\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}}{{x}+\sqrt{\frac{\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}}}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{+\infty} =\mathrm{0}\:. \\ $$
Commented by Abdo msup. last updated on 23/Dec/18
$${I}_{\mathrm{1}} \left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\:\:\frac{{cos}\left({t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda{cost}\:+\lambda^{\mathrm{2}} }{dt}\:\:{changement}\:{tan}\left(\frac{{t}}{\mathrm{2}}\right)={x}\: \\ $$$${give}\:{I}_{\mathrm{1}} \left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}\:\frac{\mathrm{2}{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} \left(\:\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\:\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)}{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}\:} −\mathrm{2}\lambda\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{4}} \right)}{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:−\mathrm{2}\lambda\:+\mathrm{2}\lambda{x}^{\mathrm{4}} }{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{dx}\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:={g}\left({t}\right)\:{with}\:{x}^{\mathrm{2}} ={t}\:{and}\:{g}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda} \\ $$$$\Delta^{,} \:=\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\right)=\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}−\mathrm{4}\lambda^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$=\mathrm{4}\lambda^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow{t}_{\mathrm{1}} =\:\frac{−\mathrm{1}\:+\mathrm{2}\mid\lambda\mid}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\:}\:\:{and} \\ $$$${t}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{1}−\mathrm{2}\mid\lambda\mid}{\mathrm{2}\lambda\:+\mathrm{1}} \\ $$$${case}\mathrm{1}\:\lambda>\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{t}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{2}\lambda\:+\mathrm{1}}\:{and}\:{t}_{\mathrm{2}} =\frac{−\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}=−\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${g}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right)\left({t}−{t}_{\mathrm{1}} \right)\left({t}−{t}_{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$${g}\left({t}\right)=−\frac{{t}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right)}\:\frac{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} −\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}}\:\left\{\:\:\frac{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\:−\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}+\mathrm{2}\lambda−\mathrm{2}\lambda−\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}\right\} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda\:+\mathrm{1}}\left\{\mathrm{1}\:−\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{2}}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{t}+\:\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda}\right\} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\lambda\:+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{2}}{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right)\left\{\left(\mathrm{2}\lambda+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\lambda\right\}} \\ $$$$….{be}\:{continued}… \\ $$$$ \\ $$