Question Number 68596 by Abdo msup. last updated on 14/Sep/19
$${calculate}\:\int_{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{3}}} \:\:\:\:\frac{{xdx}}{\mathrm{3}+{cosx}} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 15/Sep/19
$${changeent}\:{tan}\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}}\right)={t}\:{give} \\ $$$${I}\:=\int_{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{3}}} \:\frac{{xdx}}{\mathrm{3}+{cosx}}\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{2}{arctan}\left({t}\right)}{\mathrm{3}+\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }}\:\frac{\mathrm{2}{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\frac{\mathrm{4}{arctan}\left({t}\right)}{\mathrm{3}+\mathrm{3}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{dt}\:=\mathrm{4}\:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\frac{{arctan}\left({t}\right)}{\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}}{dt}\:=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\frac{{arctan}\left({t}\right)}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}{dt} \\ $$$${let}\:{f}\left(\alpha\right)\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\:\frac{{arctan}\left(\alpha{t}\right)}{{t}^{\mathrm{2}\:} +\mathrm{2}}{dt}\:\:\:{with}\:\alpha>\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{'} \left(\alpha\right)=\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\frac{{t}}{\left(\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\right)}{dt}\:\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\frac{{t}}{\left(\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\right)}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)=\frac{{at}+{b}}{\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:+\frac{{ct}\:+{d}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}} \\ $$$${F}\left(−{t}\right)=−{F}\left({t}\right)\:\Rightarrow{b}={d}=\mathrm{0}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)\:=\frac{{at}}{\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:+\frac{{ct}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}} \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} \:{tF}\left({t}\right)\:=\mathrm{0}\:=\frac{{a}}{\alpha^{\mathrm{2}} }\:+{c}\:\Rightarrow{c}=−\frac{{a}}{\alpha^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\frac{{at}}{\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}−\frac{{at}}{\alpha^{\mathrm{2}} \left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\right)} \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left(\alpha^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{{a}}{\alpha^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:−\frac{{a}}{\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:={a}−\frac{{a}}{\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} }\left(\alpha^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}\:=\mathrm{3}{a}−\frac{{a}\left(\alpha^{\mathrm{2}\:} +\mathrm{1}\right)}{\alpha^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\left(\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} −\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right){a}}{\alpha^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right){a}\:=\alpha^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$${a}\:=\frac{\alpha^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)\:=\frac{\alpha^{\mathrm{2}} {t}}{\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\left(\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{{t}}{\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}\right)}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{'} \left(\alpha\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} {t}}{\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{dt}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\:\int_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}{tdt}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\left[{ln}\left(\alpha^{\mathrm{2}} {t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\:\left[{ln}\left({t}^{\mathrm{2}\:} +\mathrm{2}\right)\right]_{\mathrm{1}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\left\{{ln}\left(\frac{\alpha^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}+\mathrm{1}\right)−{ln}\left(\alpha^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\right\}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\left\{{ln}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}+\mathrm{2}\right)−{ln}\left(\mathrm{3}\right)\right\} \\ $$$$\Rightarrow{f}\left(\alpha\right)\:=\int\frac{{ln}\left(\alpha^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right)−{ln}\left(\alpha^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)−{ln}\left(\mathrm{3}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{d}\alpha \\ $$$$−\left({ln}\left(\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{3}}\right)−{ln}\left(\mathrm{3}\right)\right)\int\:\:\frac{{d}\alpha}{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}\:+{c}….{becontinued}…. \\ $$$$ \\ $$