Question Number 119157 by mathdave last updated on 22/Oct/20
Answered by mindispower last updated on 23/Oct/20
$${x}=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\Rightarrow \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left(\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}}.\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} .\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{t}}}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left(\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)}{{t}+\mathrm{1}}.\frac{{dt}}{\:\sqrt{{t}}} \\ $$$$\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}}.\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left({x}\right)+{tan}^{−} \left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)}{{x}+\mathrm{1}}.\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}}} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{2}.\frac{{d}\sqrt{{x}}}{\left(\mathrm{1}+\left(\sqrt{{x}}\right)^{\mathrm{2}} \right)}\:=\pi\left[{arctan}\left(\sqrt{{x}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} =\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}}.\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$$${i}\:{complete}\:{answer} \\ $$$$\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{tan}^{−} \left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}}.\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}}}=\frac{\pi}{\mathrm{4}}{in}\:{previous} \\ $$
Commented by mathdave last updated on 22/Oct/20
Commented by mathmax by abdo last updated on 22/Oct/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{try}\:\mathrm{parametric}\:\mathrm{method}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\mathrm{I}\:=_{\sqrt{\mathrm{x}}=\mathrm{t}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}\left(\mathrm{2t}\right)\mathrm{dt}\:=\int_{−\infty} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)\:=\int_{−\infty} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{at}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:\:\:\left(\mathrm{a}>\mathrm{0}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)\:=\int_{−\infty} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{4}} \right)\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{dt}\:\:\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{z}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\Rightarrow\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{4}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\:=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\:\mathrm{z}−\sqrt{\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}}}\right)\left(\mathrm{z}+\sqrt{\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}}}\right)\left(\mathrm{z}−\sqrt{\frac{−\mathrm{i}}{\mathrm{a}}}\right)\left(\mathrm{z}+\sqrt{\frac{−\mathrm{i}}{\mathrm{a}}}\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)} \\ $$$$\mathrm{residus}\:\mathrm{theorem}\:\mathrm{give} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\:\mathrm{Res}\left(\varphi,\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\:+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\:+\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{i}\right)\right\} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{i}\right)\:=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2i}\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}}\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{a}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\frac{\mathrm{2i}}{\mathrm{a}}\right)\left(\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{a}}+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \sqrt{\mathrm{a}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} }{\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{a}+\mathrm{i}\right)} \\ $$$$…\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$
Commented by mindispower last updated on 23/Oct/20
$${yes}\:{thank}\:{you}\:{sir} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 23/Oct/20
$$\mathrm{you}\:\mathrm{are}\:\mathrm{welcome}\:\mathrm{sir} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 22/Oct/20
$$\mathrm{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{arctanx}}{\:\sqrt{\mathrm{x}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{changement}\:\sqrt{\mathrm{x}}=\mathrm{t}\:\mathrm{give} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}\left(\mathrm{2t}\right)\mathrm{dt}\:=\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt} \\ $$$$=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dt}\:\:\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\:\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{i}\right)\:=\mathrm{2i}\pi×\frac{\mid\mathrm{arctan}\left(−\mathrm{1}\right)\mid}{\mathrm{2i}} \\ $$$$=\pi×\frac{\pi}{\mathrm{4}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$