Question Number 33145 by Ahmad Hajjaj last updated on 11/Apr/18
$$\underset{\:\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{3}} {\int}}\:\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}\:+\:\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}\:= \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 11/Apr/18
$${I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{3}} \:\:\:\:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}\:\:+\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}\:\:\:\:.{ch}.\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}\:={t}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{tdt}}{{t}\:\:+\sqrt{\mathrm{5}\left({t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)+\mathrm{1}}} \\ $$$$=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{tdt}}{{t}\:+\sqrt{\:\mathrm{5}{t}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{4}}}\:\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}\:+\sqrt{\frac{\mathrm{5}{t}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{4}}{{t}^{\mathrm{2}} }}} \\ $$$$=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}\:−\frac{\mathrm{4}}{{t}^{\mathrm{2}} }}}\:\:{after}\:{we}\:{use}\:{the}\:{ch}. \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{t}}\:=\sqrt{\mathrm{5}}\:{sinx}\:\Rightarrow\:\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}\:{sinx}}\:\Rightarrow{t}\:=\:\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}\:{sinx}} \\ $$$${dt}\:=−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\:\:\frac{{cosx}}{{sin}^{\mathrm{2}} {x}}\:\:{and}\:{x}\:={arcsin}\left(\frac{\mathrm{2}}{{t}\sqrt{\mathrm{5}}}\right) \\ $$$${I}\:=\:\int_{{arcsin}\left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right)} ^{{arcsin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right)} \:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:\sqrt{\mathrm{1}−{sin}^{\mathrm{2}} {x}}}\:\:−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\:\frac{{cosx}}{{sin}^{\mathrm{2}} {x}}{dx} \\ $$$$=\:−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\int_{{arcsin}\left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right)} ^{{arcsin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right)} \:\:\:\:\:\:\:\frac{{cosx}}{{sin}^{\mathrm{2}} {x}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cosx}\right)}{dx} \\ $$$$\int_{\alpha} ^{\beta} \:\:\:−\frac{{cosx}}{{sin}^{\mathrm{2}} {x}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cosx}\right)}\:\left({by}\:{parts}\right) \\ $$$$=\:\left[\:\frac{\mathrm{1}}{{sinx}}\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cosx}}\right]_{\alpha} ^{\beta} \:\:−\:\int_{\alpha} ^{\beta} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{sinx}}\:\frac{\sqrt{\mathrm{5}}\:{sinx}}{\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cosx}\right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{sin}\beta\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cos}\beta\right)}\:−\:\frac{\mathrm{1}}{{sin}\alpha\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cos}\alpha\right)} \\ $$$$−\sqrt{\mathrm{5}}\:\:\int_{\alpha} ^{\beta} \:\:\:\:\frac{{dx}}{\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{5}}\:{cosx}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{and}\:{this}\:{integral}\:{is} \\ $$$${calculable}\:{by}\:{ch}.\:{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)\:={u}\:\:…. \\ $$$$\alpha={arcsin}\left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right)\:{and}\:\beta\:=\:{arcsin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}}}\right). \\ $$$$ \\ $$
Answered by MJS last updated on 11/Apr/18
$$\frac{\mathrm{1}}{{a}+{b}}=\frac{{a}−{b}}{\left({a}+{b}\right)\left({a}−{b}\right)}=\frac{{a}−{b}}{{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}=\frac{\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}{{x}+\mathrm{1}−\mathrm{5}{x}−\mathrm{1}}= \\ $$$$=\frac{\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\sqrt{{x}+\mathrm{1}}}{\mathrm{4}{x}} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{3}} {\int}}\frac{{dx}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\left(\int\frac{\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}}{{x}}{dx}−\int\frac{\sqrt{{x}+\mathrm{1}}}{{x}}{dx}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{3}} = \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\left(\int\frac{\sqrt{{ax}+{b}}}{{x}}{dx}\:\mathrm{with}\:{b}>\mathrm{0}\right)= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\mathrm{2}\sqrt{{ax}+{b}}+\sqrt{{b}}×\mathrm{ln}\mid\frac{\sqrt{{ax}+{b}}−\sqrt{{b}}}{\:\sqrt{{ax}+{b}}+\sqrt{{b}}}\mid \\ $$$$ \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\left(\left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{ln}\mid\frac{\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}}\mid\right)−\left(\mathrm{2}\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{ln}\mid\frac{\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}}\mid\right)\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{3}} = \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\mathrm{2}\left(\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\sqrt{{x}+\mathrm{1}}\right)+\mathrm{ln}\left(\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}\right)−\mathrm{ln}\left(\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}\right)−\mathrm{ln}\left(\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}\right)+\mathrm{ln}\left(\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{3}} = \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\mathrm{2}\left(\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\sqrt{{x}+\mathrm{1}}\right)+\mathrm{ln}\frac{\sqrt{{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}+\mathrm{1}}+\mathrm{ln}\frac{\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{3}} = \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {\mathrm{lim}}\frac{\sqrt{\mathrm{5}{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}{\:\sqrt{{x}+\mathrm{1}}−\mathrm{1}}=\mathrm{5} \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{5}} \\ $$