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Determinación de $\int \frac{(x-1)\sqrt{x^4+2x^3-x^2+2x+1}}{x^2(x+1)}dx$

$$\int \frac{(x-1)\sqrt{x^4+2x^3-x^2+2x+1}}{x^2(x+1)}dx$$

Intento:

Simplificación del factor raíz: $$\sqrt{x^4+2x^3-x^2+2x+1}=\frac{1}{x}\sqrt{\left(x^2+\frac{1}{x^2}\right)+2\left(x+\frac{1}{x}\right)-1}.$$

Disponiendo el resto de los factores como: $$\frac{x-1}{x^2(x+1)}=\frac{x^2-1}{x^2(x+1)^2}$$

Ahora he hecho la siguiente sustitución: deja que $(x+\frac{1}{x})=t$ Así que $(1-\frac{1}{x^2})dx=dt$

Organizar la integral: $$I=\int \frac{\sqrt{t^2+2t-3}}{t+2}dt.$$

Pero, ¿qué hacer después?

Intenté la integración por partes para esto pero no pude simplificar mi resultado.

9voto

Marco Cantarini Puntos 10794

Quizá no sea la forma más rápida, pero parece que funciona. Tenemos, tomando $u=t+1 $ $$\int\frac{\sqrt{t^{2}+2t-3}}{t+2}dt=\int\frac{\sqrt{u^{2}-4}}{u+1}du $$ y tomando $u=2\sec\left(v\right) $ tenemos $$=4\int\frac{\tan^{2}\left(v\right)\sec\left(v\right)}{2\sec\left(v\right)+1}dv=4\int\frac{\tan^{2}\left(v\right)}{\cos\left(v\right)+2}dv $$ utilizando $\tan^{2}\left(v\right)=\sec^{2}\left(v\right)+1 $ . Ahora podemos tomar $w=\tan\left(v/2\right) $ y obtener $$=32\int\frac{w^{2}}{w^{6}+w^{4}-5w^{2}+3}dw=32\int\frac{w^{2}}{\left(w^{2}-1\right)^{2}\left(w^{2}+3\right)}dw $$ y ahora usando unas aburridas fracciones parciales puedes transformar la integral en una forma manejable.

3voto

Aryabhatta2 Puntos 1

$\bf{My\; Solution::}$ Dado $$\displaystyle \int\frac{(x-1)\cdot \sqrt{x^4+2x^3-x^2+2x+1}}{x^2(x+1)}dx = \int\frac{(x^2-1)\cdot \sqrt{x^4+2x^3-x^2+2x+1}}{x^2(x^2+2x+1)}dx$$

Arriba multiplicamos ambos $\bf{N_{r}}$ y $\bf{D_{r}}$ por $(x+1).$

$$\displaystyle = \int\frac{\left(1-\frac {1}{x^2}\right)\cdot \sqrt{x^2\cdot \left(x^2+2x-1+\frac{2}{x}+\frac{1}{x^2}\right)}}{ \left(x+2+\frac{1}{x}\right)}dx$$

Ahora dejemos $ \displaystyle \left(x+\frac{1}{x}\right) = t\;,$ Entonces $\displaystyle \left(1-\frac{1}{x^2}\right)dx = dt$

Tan Integral $$\displaystyle = \int\frac{\sqrt{t^2+2t-3}}{t+2}dt = \frac{t^2+2t-3}{(t+2)\sqrt{t^2+2t-3}}dt = \int\frac{t(t+2)-3}{(t+2)\sqrt{t^2+2t-3}}dt$$

Tan Integral $$\displaystyle = \underbrace{\int\frac{t}{\sqrt{t^2+2t-3}}dt}_{I} - \underbrace{\int\frac{3}{(t+2)}\cdot \frac{1}{\sqrt{t^2+2t-3}}dt}_{J}..........\color{\red}\checkmark.$$

Así que $$\displaystyle I = \int\frac{t}{\sqrt{t^2+2t-3}}dt = \int\frac{(t+1)-1}{\sqrt{(t-1)^2-2^2}} = \int\frac{(t-1)}{\sqrt{(t-1)^2-2^2}}-\int\frac{1}{\sqrt{(t-1)^2-2^2}}dt$$

Ahora dejemos $(t-1) = z\;\;,$ Entonces $dt = dz$

Así que $$\displaystyle I = \int\frac{z}{\sqrt{z^2-2^2}}dz-\int\frac{1}{\sqrt{z^2-2^2}}dz = \sqrt{z^2-4}-\ln \left|(t+1)+\sqrt{t^2+2t-3}\right|$$

Ahora $$\displaystyle J = 3\int\frac{1}{(t+2)\sqrt{t^2+2t-3}}dt = 3\int\frac{1}{(t+2)\sqrt{(t+2)^2-2(t+2)+1-4}}$$

Ahora dejemos $(t+2) = u\;,$ Entonces $dt = du$ e integral $$\displaystyle = 3\int\frac{1}{u\sqrt{u^2-2u+1-4}}=3\int\frac{1}{u\sqrt{(u-1)^2-4}}du$$

Ahora $\displaystyle (u-1) = 2\sec \theta \;, $ Entonces $du= 2\sec \theta \cdot \tan \theta.$

Ahora, después de eso, puedes resolverlo.

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