Question Number 121602 by benjo_mathlover last updated on 09/Nov/20
Answered by liberty last updated on 10/Nov/20
$$\mathrm{I}=\underset{\mathrm{0}} {\overset{\pi/\mathrm{2}} {\int}}\:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{tan}\:^{\mathrm{2}} \mathrm{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{let}\:\phi=\mathrm{b}\:\mathrm{tan}\:\mathrm{x}\:\Rightarrow\mathrm{d}\phi=\mathrm{bsec}\:^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\:\mathrm{dx}\: \\ $$$$\:\mathrm{dx}\:=\:\frac{\phi}{\phi^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\:\mathrm{d}\phi\: \\ $$$$\mathrm{I}=\underset{\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\int}}\:\frac{\phi\:\mathrm{d}\phi}{\left(\mathrm{b}^{\mathrm{2}} +\phi^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\phi^{\mathrm{2}} \right)}\:=\:\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\int}}\:\left[\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\phi^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} +\phi^{\mathrm{2}} }\:\right]\:\mathrm{d}\phi \\ $$$$\mathrm{I}=\:\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\left[\:\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\phi\right)−\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\phi}{\mathrm{b}}\right)\:\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \\ $$$$\mathrm{I}=\:\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\left[\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:−\:\frac{\pi}{\mathrm{2b}}\:\right] \\ $$$$\mathrm{I}=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{b}}\right)\left(\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{b}−\mathrm{1}}{\mathrm{b}}\right)\left(\frac{\mathrm{b}}{\left(\mathrm{b}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{b}+\mathrm{1}\right)}\right) \\ $$$$\mathrm{I}=\:\frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\mathrm{b}+\mathrm{1}\right)}\:.\blacktriangle \\ $$
Answered by Olaf last updated on 10/Nov/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{b}\:=\:\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {dx}\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{b}\:=\:\pm\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{dx}}{\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} {x}} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2}} {xdx} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{1}+\mathrm{cos}\left(\mathrm{2}{x}\right)}{\mathrm{2}}{dx} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{sin}\left(\mathrm{2}{x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}} \\ $$$$ \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:\mathrm{General}\:\mathrm{case}\::\:{b}\:\neq\:\mathrm{0},\:{b}\:\neq\:\pm\mathrm{1} \\ $$$${u}\:=\:\mathrm{tan}{x} \\ $$$${du}\:=\:\left(\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} {x}\right){dx}\:=\:\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{du}}{\left({b}^{\mathrm{2}} {u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left({u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left[\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{{b}^{\mathrm{2}} {u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\right]{du} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left[\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} }+{u}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\right]{du} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\left[{b}\mathrm{arctan}\left({bu}\right)−\mathrm{arctan}{u}\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\left[\left({b}×\mathrm{sign}\left({b}\right)\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)−\left({b}\frac{\pi}{\mathrm{4}}−\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\right] \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\left[\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left(\mid{b}\mid−\mathrm{1}\right)−\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left({b}−\mathrm{1}\right)\right] \\ $$$$\mathrm{If}\:{b}>\mathrm{0}\:: \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\left[\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left({b}−\mathrm{1}\right)−\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left({b}−\mathrm{1}\right)\right] \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}+\mathrm{1}}\left[\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right]\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}\left({b}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{If}\:{b}<\mathrm{0}\:: \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\left[\frac{\pi}{\mathrm{2}}\left(−{b}−\mathrm{1}\right)−\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left({b}−\mathrm{1}\right)\right] \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}\left({b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\left[\mathrm{2}\left(−{b}−\mathrm{1}\right)−\left({b}−\mathrm{1}\right)\right] \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}\left({b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\left(−\mathrm{3}{b}−\mathrm{3}\right) \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:−\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{4}\left({b}−\mathrm{1}\right)} \\ $$