Question Number 167312 by cortano1 last updated on 12/Mar/22
$$\:\:\:\:\:\:\:\int\:\frac{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{3}} \mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} \mathrm{x}−\mathrm{1}}\:\mathrm{dx}\:=? \\ $$
Commented by Florian last updated on 10/Apr/22
$$\:\:{Simplify}:\:\frac{{sin}^{\mathrm{3}} {x}+\mathrm{1}}{{sin}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}=\frac{{sin}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)−{sin}\left({x}\right)+\mathrm{1}}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}} \\ $$$$=\int\frac{{sin}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx}−\int\frac{{sin}\left({x}\right)}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx}+\int\frac{\mathrm{1}}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\int\frac{{sin}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx}=\frac{\mathrm{2}}{{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}}−{cos}\left({x}\right)+{x} \\ $$$$\int\frac{{sin}\left({x}\right)}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx}=−\mathrm{4}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{arctan}\left({tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)\right) \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{{sin}\left({x}\right)−\mathrm{1}}{dx}=\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(−\mathrm{1}+{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{2}}{−\mathrm{1}+{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}+\frac{{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{2}{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)+{sec}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}\right) \\ $$$$={x}+\frac{\mathrm{4}}{{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}}−{cos}\left({x}\right)−\mathrm{2}{arctan}\left({tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)+\frac{\mathrm{2}}{\left({tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{2}{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{2}{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−{sec}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}+{c},\:{c}\in{R} \\ $$
Answered by MJS_new last updated on 12/Mar/22
$$−\int\frac{\mathrm{1}+\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \:{x}}{\mathrm{1}−\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:{x}}{dx}=\int\left(\mathrm{sin}\:{x}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{sin}\:{x}}\right){dx}= \\ $$$$=−\mathrm{cos}\:{x}\:−\frac{\mathrm{cos}\:{x}}{\mathrm{1}−\mathrm{sin}\:{x}}+{C} \\ $$
Commented by cortano1 last updated on 13/Mar/22
$$=−\mathrm{cos}\:\mathrm{x}−\frac{\mathrm{cos}\:\mathrm{x}\left(\mathrm{1}+\mathrm{sin}\:\mathrm{x}\right)}{\mathrm{cos}\:^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}+\mathrm{c} \\ $$$$=−\mathrm{cos}\:\mathrm{x}−\mathrm{sec}\:\mathrm{x}−\mathrm{tan}\:\mathrm{x}+\mathrm{c} \\ $$
Answered by LEKOUMA last updated on 13/Mar/22
$$=\int\frac{\left(\mathrm{sin}\:{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} {x}−\mathrm{sin}\:{x}+\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{sin}\:{x}+\mathrm{1}\right)}{dx} \\ $$$$=\int\frac{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} {x}−\mathrm{sin}\:{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$=\int\frac{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} {x}−\mathrm{sin}\:{x}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx}+\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$=\int\frac{\mathrm{sin}\:{x}\left(\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}\right)}{dx}+\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$=\int\mathrm{sin}\:{xdx}+\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$=−\mathrm{cos}\:{x}+\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\mathrm{sin}\:{x}=\frac{\mathrm{2tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{2tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{tan}\:^{\mathrm{2}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)}−\mathrm{1}}{dx} \\ $$$${let}\:{t}=\mathrm{tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\:\Rightarrow\:{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{tan}\:^{\mathrm{2}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\right){dx} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{2}{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}}×\frac{{dt}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }}×\frac{{dt}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }×\frac{{dt}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{−{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}\:}{dt} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{−{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{t}−\mathrm{1}}{dt}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{dt} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}{dt} \\ $$$${let}\:{u}={t}−\mathrm{1}\Rightarrow\:{du}={dt} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{{u}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}{du}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{{u}^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{du} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{1}}{\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{u}}{\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\right)+{c},\:{c}\in\:{lR} \\ $$$$=−\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2}{u}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+{c},\:{c}\in{R} \\ $$$$=−\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}{u}\right)+\:{c},\:{c}\in{lR} \\ $$$$=−\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left({t}−\mathrm{1}\right)\right]+{c},\:{c}\in{R} \\ $$$$=\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)\right]+{c},\:{c}\in{lR} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:{x}−\mathrm{1}}{dx}=\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)\right]+{c},\:{c}\in{lR} \\ $$$$=−\mathrm{cos}\:{x}+\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)\right]+{c},\:{c}\in{lR} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{3}} {x}+\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} {x}−\mathrm{1}}{dx}=−\mathrm{cos}\:{x}+\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left[\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\left(\mathrm{tan}\:\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}\right)\right]+{c},\:{c}\in{lR} \\ $$$${Proposition} \\ $$