Question Number 103537 by TMSF last updated on 15/Jul/20
$$\int\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{cosx}+\mathrm{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{sinx}\right)}\mathrm{dx} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 15/Jul/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{I}\:=\int\:\:\frac{\mathrm{xdx}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \mathrm{cosx}\:+\mathrm{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{sinx}}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{put}\:\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:=\alpha\:\mathrm{and}\:\mathrm{b}^{\mathrm{2}} \:=\beta\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\int\:\:\frac{\mathrm{xdx}}{\alpha\mathrm{cosx}\:+\beta\mathrm{sinx}}\:\mathrm{changement}\:\mathrm{tan}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)=\mathrm{t}\:\mathrm{give} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\int\:\frac{\mathrm{2arctan}\left(\mathrm{t}\right)}{\alpha×\frac{\mathrm{1}−\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\:+\beta×\frac{\mathrm{2t}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}×\frac{\mathrm{2dt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{4}\int\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}\right)}{\alpha−\alpha\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\beta\mathrm{t}}\mathrm{dt}\:=−\mathrm{4}\:\int\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}\right)}{\alpha\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\beta\mathrm{t}\:−\alpha}\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\xi\right)\:=\int\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\xi\mathrm{t}\right)}{\alpha\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\beta\mathrm{t}\:−\alpha}\mathrm{dt}\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\: \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\xi\right)\:=\int\:\:\frac{\mathrm{t}}{\left(\mathrm{1}+\xi^{\mathrm{2}} \mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\left(\alpha\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\beta\mathrm{t}\:−\alpha\right)}\mathrm{dt} \\ $$$$=_{\xi\mathrm{t}\:=\mathrm{u}} \:\:\:\int\:\:\frac{\mathrm{u}}{\xi\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)\left(\alpha\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }{\xi^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}\beta\frac{\mathrm{u}}{\xi}−\alpha\right)}\frac{\mathrm{du}}{\xi} \\ $$$$=\int\:\:\frac{\mathrm{udu}}{\xi^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\alpha\:\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }{\xi^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{2}\beta\:\frac{\mathrm{u}}{\xi}−\alpha\right)}\:=\int\:\:\frac{\mathrm{udu}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left(\alpha\mathrm{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\beta\xi\mathrm{u}\:−\alpha\xi^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{decompose}\:\mathrm{F}\left(\mathrm{u}\right)\:=\frac{\mathrm{u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left(\alpha\mathrm{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\beta\xi\mathrm{u}\:−\alpha\xi^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\alpha\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}\beta\xi\mathrm{u}\:−\alpha\xi^{\mathrm{2}} \:\rightarrow\Delta^{'} \:=\beta^{\mathrm{2}} \xi^{\mathrm{2}} −\alpha^{\mathrm{2}} \xi^{\mathrm{2}} \:=\xi^{\mathrm{2}} \left(\beta^{\mathrm{2}} −\alpha^{\mathrm{2}} \right)\:=\xi^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{b}^{\mathrm{4}} −\mathrm{a}^{\mathrm{4}} \right) \\ $$$$\mathrm{case1}\:\:\mid\mathrm{b}\mid>\mid\mathrm{a}\mid\:\Rightarrow\mathrm{u}_{\mathrm{1}} =\frac{\beta\xi+\xi\sqrt{\beta^{\mathrm{2}} −\alpha^{\mathrm{2}} }}{\alpha}\:\mathrm{and}\:\mathrm{u}_{\mathrm{2}} =\frac{\beta\xi−\xi\sqrt{\beta^{\mathrm{2}} −\alpha^{\mathrm{2}} }}{\alpha}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{u}\right)\:=\frac{\mathrm{u}}{\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\alpha\left(\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \right)\left(\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{a}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{1}} }\:+\frac{\mathrm{a}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{b}_{\mathrm{1}} \mathrm{u}\:+\mathrm{b}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{eazy}\:\mathrm{to}\:\mathrm{find}\:\mathrm{a}_{\mathrm{i}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{b}_{\mathrm{i}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\xi\right)\:=\mathrm{a}_{\mathrm{1}} \mathrm{ln}\mid\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \mid\:+\mathrm{a}_{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\mid\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \mid\:+\frac{\mathrm{b}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)+\mathrm{b}_{\mathrm{2}} \mathrm{arctan}\left(\mathrm{u}\right)\:+\mathrm{c}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\xi\right)\:=\mathrm{a}_{\mathrm{1}} \int\:\mathrm{ln}\mid\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \mid\mathrm{d}\xi\:+\mathrm{a}_{\mathrm{2}} \int\:\mathrm{ln}\mid\mathrm{u}−\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \mid\mathrm{d}\xi\:+\frac{\mathrm{b}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}\:\int\:\mathrm{ln}\mid\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\mid\mathrm{d}\xi\:+\mathrm{b}_{\mathrm{2}} \int\:\mathrm{arctanu}\:\mathrm{d}\xi\:+\mathrm{c}\xi \\ $$$$…\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$$$ \\ $$