Question Number 170501 by kndramaths last updated on 25/May/22
$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{solve}\:{this}: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int\int_{{D}} {x}^{\mathrm{2}} {e}^{{xy}} {dxdy} \\ $$$${D}:\left\{\left({x}.{y}\right)\in{R}^{\mathrm{2}} \:/\mathrm{0}\leqslant{x}\leqslant\mathrm{1}.\:\:\mathrm{0}\leqslant{y}\leqslant\mathrm{2}\right\} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\int\underset{{D}} {\int}\frac{{ydxdy}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} \right)^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} }.\:\:\mathrm{0}\leqslant{x}\leqslant\mathrm{1}.\mathrm{0}\leqslant{y}\leqslant\mathrm{1}. \\ $$
Answered by FelipeLz last updated on 26/May/22
$${A}\:=\:\int\int_{{D}} {x}^{\mathrm{2}} {e}^{{xy}} {dxdy}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2}} {\int}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{x}^{\mathrm{2}} {e}^{{xy}} {dxdy}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\left[\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2}} {\int}}{x}^{\mathrm{2}} {e}^{{xy}} {dy}\right]{dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2}} {\int}}{x}^{\mathrm{2}} {e}^{{xy}} {dy}\:=\:{x}^{\mathrm{2}} \underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2}} {\int}}{e}^{{xy}} {dy}\:=\:\left[{x}^{\mathrm{2}} \frac{{e}^{{xy}} }{{x}}\right]_{{y}=\mathrm{0}} ^{{y}=\mathrm{2}} \:=\:\left[{xe}^{{xy}} \right]_{{y}=\mathrm{0}} ^{{y}=\mathrm{2}} \:=\:{xe}^{\mathrm{2}{x}} −{x} \\ $$$${A}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\left({xe}^{\mathrm{2}{x}} −{x}\right){dx}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{xe}^{\mathrm{2}{x}} {dx}−\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{xdx}\:=\:\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{xe}^{\mathrm{2}{x}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{e}^{\mathrm{2}{x}} −\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{e}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{e}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\left(\mathrm{0}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{0}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({e}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right) \\ $$$$\bullet \\ $$$${B}\:=\:\int\int_{{D}} \frac{{y}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}/\mathrm{2}} }{dxdy}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\left[\int\frac{{y}}{\:\sqrt{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}} }}{dy}\right]_{{y}=\mathrm{0}} ^{{y}=\mathrm{1}} {dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:{u}\:=\:\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\:{du}\:=\:\mathrm{2}{ydy}\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int\frac{{y}}{\:\sqrt{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}} }}{dy}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{u}^{\mathrm{3}} }}{du}\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{u}}}\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{y}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${B}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\left[−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{2}} }}+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}\right]{dx}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}{dx}−\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{2}} }}{dx}\:=\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}{dx}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}}}{dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:{x}\:=\:\mathrm{tan}\left({v}\right)\:\Rightarrow\:{dx}\:=\:\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \left({v}\right){dv} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }}{dx}\:=\:\int\frac{\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \left({v}\right)}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \left({v}\right)}}{dv}\:=\:\int\mathrm{sec}\left({v}\right){dv}\:=\:\mathrm{ln}\mid\mathrm{sec}\left({v}\right)+\mathrm{tan}\left({v}\right)\mid\:=\:\mathrm{ln}\mid\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }+{x}\mid\:=\:\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:=\:\mathrm{tan}\left({t}\right)\:\Rightarrow\:{dx}\:=\:\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \left({t}\right){dt} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\int\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}}}{dx}\:=\:\int\frac{\mathrm{sec}^{\mathrm{2}} \left({t}\right)}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \left({t}\right)}}{dt}\:=\:\mathrm{ln}\mid\mathrm{sec}\left({t}\right)+\mathrm{tan}\left({t}\right)\mid\:=\:\mathrm{ln}\mid\sqrt{\mathrm{1}+\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}}+\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\mid\:=\:\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right) \\ $$$${B}\:=\:\left[\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\left[\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\:\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)−\mathrm{sinh}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:=\:\mathrm{ln}\left(\sqrt{\mathrm{2}}+\mathrm{1}\right)−\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{3}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:=\:\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{3}}}\right) \\ $$