Question Number 57138 by mustakim420 last updated on 30/Mar/19
$$\mathrm{The}\:\mathrm{value}\:\mathrm{of}\:\mathrm{the}\:\mathrm{integral} \\ $$$$\underset{\:\mathrm{0}} {\overset{\pi} {\int}}\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{a}\:\mathrm{cos}\:{x}+\mathrm{1}}\:{dx}\:\:\left({a}\:>\mathrm{1}\right)\:\:\mathrm{is} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 30/Mar/19
$${let}\:\:{f}\left({a}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\:\:\:\:\frac{{dx}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{acosx}\:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow{f}\left({a}\right)\:=_{{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)={t}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({a}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}{a}\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{{dt}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right){a}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}{a}\left(\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\:=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{dt}}{{a}^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+{a}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}{a}+\mathrm{2}{at}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{dt}}{\left({a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{a}+\mathrm{1}\right){t}^{\mathrm{2}\:} \:+{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{a}+\mathrm{1}}\:=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{{dt}}{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\left({a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${changement}\:\left({a}+\mathrm{1}\right){t}\:=\left({a}−\mathrm{1}\right){u}\:\:{give} \\ $$$${f}\left({a}\right)\:=\mathrm{2}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:\frac{{a}−\mathrm{1}}{{a}+\mathrm{1}}\:{du}\:=\frac{\mathrm{2}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\left[{arctan}\left({u}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:=\frac{\pi}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\:\Rightarrow{f}\left({a}\right)\:=\frac{\pi}{{a}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}}\:\:{with}\:{a}>\mathrm{1}\:. \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 30/Mar/19
$$\int\frac{{dx}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\mathrm{2}{acosx}} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}\int\frac{{dx}}{{k}−{cosx}}\:\:\left[{k}=\frac{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}\right] \\ $$$${t}={tan}\frac{{x}}{\mathrm{2}}\:\:\:\:\:\:\mathrm{2}{dt}={sec}^{\mathrm{2}} \frac{{x}}{\mathrm{2}}{dx} \\ $$$${dx}=\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}\int\frac{\mathrm{2}{dt}}{\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)\left({k}−\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\right)} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int\frac{{dt}}{{k}+{kt}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{a}}\int\frac{{dt}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)+{t}^{\mathrm{2}} \left({k}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{a}\left({k}+\mathrm{1}\right)}\int\frac{{dt}}{\frac{{k}−\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{a}\left(\frac{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}}+\mathrm{1}\right)}×\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\frac{{k}−\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}}}{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{t}}{\:\sqrt{\frac{{k}−\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}}}\right) \\ $$$$ \\ $$$${k}=\frac{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{a}} \\ $$$$\frac{{k}−\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}=\frac{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}+\mathrm{2}{a}}{{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\mathrm{2}{a}}=\frac{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({a}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\sqrt{\frac{{k}−\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}}\:=\frac{{a}+\mathrm{1}}{{a}−\mathrm{1}} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{\left({a}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }×\frac{\mathrm{1}}{\frac{{a}−\mathrm{1}}{{a}+\mathrm{1}}}\mid{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{tan}\frac{{x}}{\mathrm{2}}}{\frac{{a}−\mathrm{1}}{{a}+\mathrm{1}}}\right)\mid_{\mathrm{0}} ^{\pi} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}×\left[{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\infty\right)−\mathrm{0}\right] \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}×\frac{\pi}{\mathrm{2}}\rightarrow\frac{\pi}{{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}} \\ $$