Pregunta
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\( 1<\quad \) Use any method to evaluate the integral. \( \int \frac{22 d x}{\left(121 x^{2}+1\right)^{2}} \)

Ask by Weston Howell. in the United States
Jan 23,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

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The integral \( \int \frac{22}{(121x^2+1)^2}dx \) equals \( \arctan(11x) + \frac{1}{2}\sin(2\arctan(11x)) + C \), where \( C \) is a constant.

Solución

Calculate the integral \( \int \frac{22}{(121x^2+1)^2}dx \). Evaluate the integral by following steps: - step0: Evaluate using substitution: \(\int \frac{22}{\left(121x^{2}+1\right)^{2}} dx\) - step1: Rewrite the expression: \(\int 22\times \frac{1}{\left(121x^{2}+1\right)^{2}} dx\) - step2: Use properties of integrals: \(22\times \int \frac{1}{\left(121x^{2}+1\right)^{2}} dx\) - step3: Transform the expression: \(22\times \int \frac{1}{\left(\tan^{2}\left(t\right)+1\right)^{2}}\times \frac{1}{11}\sec^{2}\left(t\right) dt\) - step4: Simplify the expression: \(22\times \int \frac{\sec^{2}\left(t\right)}{11\left(\tan^{2}\left(t\right)+1\right)^{2}} dt\) - step5: Simplify the expression: \(22\times \int \frac{\sec^{2}\left(t\right)}{11\sec^{4}\left(t\right)} dt\) - step6: Simplify the expression: \(22\times \int \frac{1}{11}\cos^{2}\left(t\right) dt\) - step7: Use properties of integrals: \(22\times \frac{1}{11}\times \int \cos^{2}\left(t\right) dt\) - step8: Multiply the numbers: \(2\times \int \cos^{2}\left(t\right) dt\) - step9: Evaluate the integral: \(2\left(\frac{t}{2}+\frac{\sin\left(2t\right)}{4}\right)\) - step10: Simplify the expression: \(2\left(\frac{t}{2}+\frac{1}{4}\sin\left(2t\right)\right)\) - step11: Use the distributive property: \(2\times \frac{t}{2}+2\times \frac{1}{4}\sin\left(2t\right)\) - step12: Multiply the terms: \(t+2\times \frac{1}{4}\sin\left(2t\right)\) - step13: Multiply the terms: \(t+\frac{1}{2}\sin\left(2t\right)\) - step14: Substitute back: \(\arctan\left(11x\right)+\frac{1}{2}\sin\left(2\arctan\left(11x\right)\right)\) - step15: Add the constant of integral C: \(\arctan\left(11x\right)+\frac{1}{2}\sin\left(2\arctan\left(11x\right)\right) + C, C \in \mathbb{R}\) The integral of \( \frac{22}{(121x^2+1)^2} \) with respect to \( x \) is \( \arctan(11x) + \frac{1}{2}\sin(2\arctan(11x)) + C \), where \( C \) is an arbitrary constant.

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To evaluate the integral \[ \int \frac{22 \, dx}{(121 x^{2}+1)^{2}}, \] we can use a trigonometric substitution. Notice that the expression \(121 x^2 + 1\) resembles the identity for \( \sec^2(\theta) \). We can let \[ x = \frac{1}{11} \tan(\theta), \] then \[ dx = \frac{1}{11} \sec^2(\theta) d\theta. \] This gives us \[ 121x^2 + 1 = 121\left(\frac{1}{11}\tan(\theta)\right)^2 + 1 = \tan^2(\theta) + 1 = \sec^2(\theta). \] Hence, \[ (121x^2 + 1)^2 = (\sec^2(\theta))^2 = \sec^4(\theta). \] Now substituting in the integral, we get \[ \int \frac{22 \cdot \frac{1}{11} \sec^2(\theta) \, d\theta}{\sec^4(\theta)} = \int \frac{2 \sec^2(\theta) \, d\theta}{\sec^4(\theta)} = \int 2 \cos^2(\theta) \, d\theta = 2 \int \cos^2(\theta) \, d\theta. \] Using the identity \( \cos^2(\theta) = \frac{1 + \cos(2\theta)}{2} \): \[ 2 \int \cos^2(\theta) \, d\theta = 2 \cdot \frac{1}{2} \int (1 + \cos(2\theta)) \, d\theta = \int (1 + \cos(2\theta)) \, d\theta = \theta + \frac{1}{2} \sin(2\theta) + C. \] We now need to revert back to \(x\): \[ \theta = \tan^{-1}(11x) \quad \text{and} \quad \sin(2\theta) = 2 \sin(\theta) \cos(\theta) = 2 \cdot \frac{11x}{\sqrt{121x^2 + 1}} \cdot \frac{1}{\sqrt{121x^2 + 1}} = \frac{22x}{121x^2 + 1}. \] Thus, the integral evaluates to \[ \tan^{-1}(11x) + \frac{11x}{121x^2 + 1} + C. \] Final answer: \[ \int \frac{22 \, dx}{(121 x^{2}+1)^{2}} = \tan^{-1}(11x) + \frac{11x}{121x^2 + 1} + C. \]

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