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Evaluar $\int_{0}^{\infty} \frac{\sin x-x\cos x}{x^2+\sin^2x } dx$

La integral $$\int_{0}^{\infty} \frac{\sin x-x\cos x}{x^2+\sin^2x } dx$$ admite una bonita forma cerrada. La cuestión es: cómo evaluarla a mano.

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kishea Puntos 74

$$ I=\int_{0}^{\infty} \frac{\sin x-x \cos x}{x^2+\sin^2 x} dx= - \int_{0}^{\infty}\frac{\frac {x\cos x -\sin x}{x^2}}{1+(\frac{\sin x}{x})^2}dx= -\int_{1}^{0} \frac{dt}{1+t^2}=\frac{\pi}{4}.$$

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Anthony Shaw Puntos 858

Tenga en cuenta que $$ \begin{align} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\log(x-i\sin(x)) &=\frac{1-i\cos(x)}{x-i\sin(x)}\\ &=\frac{x+\sin(x)\cos(x)}{x^2+\sin^2(x)}+i\frac{\sin(x)-x\cos(x)}{x^2+\sin^2(x)} \end{align} $$ Tomando la parte imaginaria de ambos lados $$ \begin{align} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac1{2i}\log\left(\frac{x-i\sin(x)}{x+i\sin(x)}\right) &=\frac{\sin(x)-x\cos(x)}{x^2+\sin^2(x)} \end{align} $$ Así, $$ \int\frac{\sin(x)-x\cos(x)}{x^2+\sin^2(x)}\,\mathrm{d}x =\frac1{2i}\log\left(\frac{x-i\sin(x)}{x+i\sin(x)}\right)+C $$ y $$ \begin{align} \int_0^\infty\frac{\sin(x)-x\cos(x)}{x^2+\sin^2(x)}\,\mathrm{d}x &=-\frac1{2i}\log\left(\frac{1-i}{1+i}\right)\\ &=\frac\pi4 \end{align} $$

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