Question Number 62252 by hovea cw last updated on 18/Jun/19
$$\int\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)/\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\mathrm{limit}\:=\left\{\:\mathrm{0}>\mathrm{2}\right\} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 18/Jun/19
$${let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\frac{{ln}\left({x}+\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}{dx}\:\:\:\:{and}\:\:{f}\left({t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{tx}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}\:{dx}\:\:{with}\:{t}\geqslant\mathrm{0} \\ $$$${we}\:{have}\:{I}\:={f}\left(\mathrm{1}\right)\:\:\:\:\:\:\:{and}\:{f}^{'} \left({t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\frac{{x}}{\left(\mathrm{1}+{tx}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}+{tx}−\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+{tx}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({tx}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{{dx}}{\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}\:=_{{x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{u}} \:\:\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\:\:\:\int_{−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\frac{\mathrm{3}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{du} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\left[{arctn}\left({u}\right)\right]_{−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\sqrt{\mathrm{3}}} \:\:\:=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\:{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{3}}\right)+{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right\}=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left({tx}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}\right)\rightarrow\left(\Delta<\mathrm{0}\right)} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{{a}}{{tx}+\mathrm{1}}\:+\frac{{bx}+{c}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{{t}}} \:\:\:\left({tx}+\mathrm{1}\right){F}\left({x}\right)\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\left({tx}+\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{{bx}+{c}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} \:{xF}\left({x}\right)\:=\mathrm{0}\:=\frac{{a}}{{t}}\:+{b}\:\Rightarrow{a}+{tb}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow{tb}\:=−{a}\:\Rightarrow{b}\:=−\frac{{a}}{{t}}\:=−\frac{{t}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)\left({tx}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{{t}}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}{x}\:+{c}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}\:={a}+{c}\:\Rightarrow{c}\:=\mathrm{1}−{a}\:=\mathrm{1}−\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}\:=\frac{{t}+\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)\left({tx}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}\:\frac{{tx}−{t}−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right){dx}\:=\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{{dx}}{{tx}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\frac{{tx}−{t}−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{{dx}}{{tx}\:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\left[{ln}\mid{tx}+\mathrm{1}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}{ln}\mid\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}\mid \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\frac{{tx}−{t}−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}{dx}\:=\frac{{t}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\frac{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}{dx}\:−\left({t}+\mathrm{1}\right)\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{{t}}{\mathrm{2}}\left[{ln}\mid{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:−\left({t}+\mathrm{1}\right)\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:=\frac{{t}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{3}\right)−\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\left({t}+\mathrm{1}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:{F}\left({x}\right){dx}\:=\frac{{t}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}}{ln}\mid\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\left\{\left(\frac{{ln}\left(\mathrm{3}\right)}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right){t}−\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right\}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{'} \left({t}\right)\:=\frac{\pi}{{t}\sqrt{\mathrm{3}}}\:−\frac{\mathrm{1}}{{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right){dx} \\ $$$$=\frac{\pi}{{t}\sqrt{\mathrm{3}}}\:−\frac{{ln}\mid\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}\mid}{{t}^{\mathrm{2}\:} \:\:+{t}\:+\mathrm{1}}\:−\frac{\frac{{ln}\left(\mathrm{3}\right)}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}}\:+\frac{\pi}{{t}\sqrt{\mathrm{3}}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}\right)}\:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({t}\right)\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}{ln}\left({t}\right)−\int\:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}\right)}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}}{dt}\:−\left(\frac{{ln}\mathrm{3}}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\int\:\:\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}}\:+\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\int\:\:\:\frac{{dt}}{{t}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}\right)}\:+{c} \\ $$$$…{be}\:{continued}… \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$