Question Number 122631 by MJS_new last updated on 18/Nov/20
$$\mathrm{solve}\:\underset{\left({a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } {\overset{{a}^{\mathrm{2}} } {\int}}\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}\:{dx}\:\mathrm{with}\:{a}>\mathrm{0} \\ $$
Commented by liberty last updated on 18/Nov/20
$${waw}..{nice}\:{question} \\ $$
Commented by MJS_new last updated on 19/Nov/20
$${f}\left({a}\right)=\underset{\left({a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } {\overset{{a}^{\mathrm{2}} } {\int}}\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}\:{dx}\:\mathrm{is}\:\mathrm{linear}\:\mathrm{for}\:{a}\geqslant\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{found}\:\mathrm{a}\:\mathrm{nice}\:\mathrm{path}\:\mathrm{to}\:\mathrm{solve}\:\mathrm{it},\:\mathrm{will}\:\mathrm{post}\:\mathrm{it}\:\mathrm{later} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 18/Nov/20
$$\mathrm{I}\:=\int_{\left(\mathrm{a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } ^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } \:\:\mathrm{argch}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{a}−\sqrt{\mathrm{x}}}}\right)\mathrm{dx}\:\:\mathrm{chamgement}\:\sqrt{\mathrm{a}−\sqrt{\mathrm{x}}}=\mathrm{t}\:\mathrm{give} \\ $$$$\mathrm{a}+\sqrt{\mathrm{x}}=\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\sqrt{\mathrm{x}}=\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}\:\Rightarrow\mathrm{x}=\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{o}} \:\mathrm{argch}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)\mathrm{4t}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}\right)\mathrm{dt}\:=−\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{o}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{t}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}\right)\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}+\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}}\right)\mathrm{dt} \\ $$$$=−\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{t}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}\right)\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{t}}\right)\mathrm{dt} \\ $$$$=_{\mathrm{t}=\mathrm{sin}\theta} \:\:\:−\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{sin}\theta\left(\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta−\mathrm{a}\right)\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+\mathrm{cos}\theta}{\mathrm{sin}\theta}\right)\mathrm{cos}\theta\:\mathrm{d}\theta \\ $$$$=−\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{sin}\theta\left(\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta−\mathrm{a}\right)\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2cos}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)}{\mathrm{2cos}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)}\right)\mathrm{cos}\theta\:\mathrm{d}\theta \\ $$$$=\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{sin}\theta\:\mathrm{cos}\theta\left(\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta−\mathrm{a}\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{tan}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right)\mathrm{d}\theta \\ $$$$=\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \left(\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \theta\mathrm{cos}\theta\:−\mathrm{sin}\theta\:\mathrm{cos}\theta\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{tan}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right)\mathrm{d}\theta\:\:\mathrm{this}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be} \\ $$$$\mathrm{solved}\:\mathrm{by}\:\mathrm{parts}\:\mathrm{if}\:\mathrm{we}\:\mathrm{put}\:\mathrm{u}^{'} \:=\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \mathrm{cos}\theta−\mathrm{sin}\theta\:\mathrm{cos}\theta\:\mathrm{and}\:\mathrm{v}=\mathrm{ln}\left(\mathrm{tan}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right) \\ $$$$…\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$
Commented by MJS_new last updated on 19/Nov/20
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{for}\:\mathrm{trying} \\ $$
Answered by MJS_new last updated on 19/Nov/20
$$\int\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}\:{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\mathrm{by}\:\mathrm{parts}\:\mathrm{but}\:\mathrm{with}\:\mathrm{a}\:\mathrm{simple}\:\mathrm{trick}: \\ $$$$\:\:\:\:\:{u}^{'} =\mathrm{1}\:\rightarrow\:{u}={x}−{a}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:{v}=\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}\:\rightarrow\:{v}'=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\sqrt{{x}}\left(\sqrt{{x}}−{a}\right)\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}} \\ $$$$=\left({x}−{a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int\frac{{x}−{a}^{\mathrm{2}} }{\:\sqrt{{x}}\left(\sqrt{{x}}−{a}\right)\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}}{dx}= \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int\frac{{x}−{a}^{\mathrm{2}} }{\:\sqrt{{x}}\left(\sqrt{{x}}−{a}\right)\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left[{t}=\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}\:\rightarrow\:{dx}=\mathrm{4}\sqrt{{x}}\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}{dt}\right] \\ $$$$\:\:\:\:\:=\int\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}\right){dt}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{t}\left({t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\left(\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}\right)\right)= \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left(\sqrt{{x}}+\mathrm{5}{a}−\mathrm{2}\right)\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}} \\ $$$$ \\ $$$$=\left({x}−{a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\sqrt{{x}}}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left(\sqrt{{x}}+\mathrm{5}{a}−\mathrm{2}\right)\sqrt{\sqrt{{x}}−{a}+\mathrm{1}}+{C} \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{inserting}\:\mathrm{the}\:\mathrm{borders}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$${f}\left({a}\right)=\left(\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}\right)\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{a}−\mid{a}−\mathrm{1}\mid}}\:−\frac{\left(\mathrm{5}{a}+\mid{a}−\mathrm{1}\mid−\mathrm{2}\right)\sqrt{\mathrm{1}−{a}+\mid{a}−\mathrm{1}\mid}}{\mathrm{3}}+\frac{\left(\mathrm{5}{a}+\mid{a}\mid−\mathrm{2}\right)\sqrt{\mathrm{1}−{a}+\mid{a}\mid}}{\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{for}\:\mathrm{0}<{a}<\mathrm{1}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$${f}\left({a}\right)=\left(\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}\right)\mathrm{cosh}^{−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}}}\:−\frac{\left(\mathrm{4}{a}−\mathrm{1}\right)\sqrt{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−{a}\right)}}{\mathrm{3}}+\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{3}{a}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{for}\:{a}\geqslant\mathrm{1}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$${f}\left({a}\right)=\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{3}{a}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$
Commented by liberty last updated on 19/Nov/20
$${by}\:{parts}\:\int\:{v}\:{du}\:=\:{vu}−\int{u}\:{dv}\:?\: \\ $$
Commented by MJS_new last updated on 19/Nov/20
$$\int{u}'{v}={uv}−\int{uv}' \\ $$
Commented by liberty last updated on 19/Nov/20
$${haha}..{it}'{s}\:{same}\:{sir} \\ $$
Commented by MJS_new last updated on 19/Nov/20
$$\mathrm{yes} \\ $$