Question Number 202125 by Calculusboy last updated on 21/Dec/23
$$\int\:\frac{\boldsymbol{{sin}}\left(\mathrm{3}\boldsymbol{{x}}\right)}{\mathrm{1}+\boldsymbol{{sin}}^{\mathrm{3}} \boldsymbol{{x}}}\boldsymbol{{dx}} \\ $$
Answered by Frix last updated on 21/Dec/23
$$\mathrm{Let}\:{s}=\mathrm{sin}\:{x} \\ $$$$\frac{\mathrm{sin}\:\mathrm{3}{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \:{x}}=\frac{{s}\left(\mathrm{4}{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}\right)}{\left({s}+\mathrm{1}\right)\left({s}^{\mathrm{2}} −{s}+\mathrm{1}\right)}= \\ $$$$=−\mathrm{4}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({s}+\mathrm{1}\right)}−\frac{{s}−\mathrm{11}}{\mathrm{3}\left({s}^{\mathrm{2}} −{s}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\int\frac{\mathrm{sin}\:\mathrm{3}{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \:{x}}{dx}= \\ $$$$=−\mathrm{4}\int{dx}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\int\frac{{dx}}{\mathrm{1}+\mathrm{sin}\:{x}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{11}−\mathrm{sin}\:{x}}{\mathrm{1}−\mathrm{sin}\:{x}\:+\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:{x}}{dx} \\ $$$$\mathrm{These}\:\mathrm{are}\:\mathrm{easy}: \\ $$$$−\mathrm{4}\int{dx}=−\mathrm{4}{x} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\int\frac{{dx}}{\mathrm{1}+\mathrm{sin}\:{x}}=−\frac{\mathrm{1}−\mathrm{sin}\:{x}}{\mathrm{3cos}\:{x}} \\ $$$$\mathrm{This}\:\mathrm{is}\:\mathrm{unpleasant}: \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{11}−\mathrm{sin}\:{x}}{\mathrm{1}−\mathrm{sin}\:{x}\:+\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:{x}}{dx} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{tried}\:{t}=\mathrm{tan}\:\frac{{x}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{but}… \\ $$$$\mathrm{Instead}\:\mathrm{I}\:\mathrm{solved}\:\mathrm{it}\:\mathrm{with} \\ $$$${t}=\mathrm{tan}\:{x}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cos}\:{x}}\:\Leftrightarrow\:{x}=\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \:\frac{{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{t}}\:\rightarrow\:{dx}=\frac{\mathrm{2}{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{which}\:\mathrm{leads}\:\mathrm{to} \\ $$$$\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{5}{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6}}{{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{3}}{dt}=\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\int\frac{\mathrm{5}{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6}}{\left({t}^{\mathrm{2}} −\sqrt[{\mathrm{4}}]{\mathrm{12}}{t}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} +\sqrt[{\mathrm{4}}]{\mathrm{12}}{t}+\sqrt{\mathrm{3}}\right)}{dt} \\ $$$$\mathrm{Now}\:\mathrm{decompose}… \\ $$
Commented by Calculusboy last updated on 22/Dec/23
$$\boldsymbol{{nice}}\:\boldsymbol{{solution}} \\ $$