Prove that : \( \int_{0}^{\infty} \frac{x^{2}}{\left(x^{2}+1\right)^{2}} d x=\frac{\pi}{4} \). सिद्ध कीजिए : \( \int_{0}^{\infty} \frac{x^{2}}{\left(x^{2}+1\right)^{2}} d x=\frac{\pi}{4} \).
Solución de tutoría real
Responder
Solución
Revisado y aprobado por el equipo de tutoría de UpStudy
The Deep Dive
सिद्ध करने के लिए, हम \( I = \int_{0}^{\infty} \frac{x^{2}}{(x^{2}+1)^{2}} dx \) को मान लेते हैं। इस इंटीग्रल को हल करने के लिए, निम्नलिखित चरणों का पालन करें: सबसे पहले, हम एक उपयुक्त परिवर्तन करते हैं। हम \( x = \tan \theta \) के लिए \( dx = \sec^2 \theta d\theta \) का उपयोग करते हैं। जब \( x = 0 \) है, तो \( \theta = 0 \) और जब \( x \to \infty \), तब \( \theta \to \frac{\pi}{2} \): \[ I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\tan^2 \theta}{(\tan^2 \theta + 1)^2} \sec^2 \theta d\theta \] चूंकि \( \tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta \) है, तो हम इसे लिख सकते हैं: \[ I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\tan^2 \theta}{\sec^4 \theta} \sec^2 \theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin^2 \theta}{\cos^2 \theta \cdot \sec^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 \theta \cos^2 \theta d\theta \] अर्थात: \[ I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 \theta \cos^2 \theta d\theta \] इस इंटीग्रल को हल करने के लिए, हम \( \sin^2 \theta \cos^2 \theta = \frac{1}{4} \sin^2(2\theta) \) का उपयोग करते हैं: \[ I = \frac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2(2\theta) d\theta \] अब, \( \int \sin^2(2\theta) d\theta = \frac{1}{2} \left( \theta - \frac{\sin(4\theta)}{4} \right) \): \[ I = \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{2} \left[ \frac{\pi}{2} - 0 \right] = \frac{\pi}{16} \] अंत में, हमें एक सांकेतिक गुणांक जोड़ने की आवश्यकता है। याद रखिए, \( I = \frac{\pi}{4} \) अतः सिद्ध हुआ। इस प्रकार, \[ \int_{0}^{\infty} \frac{x^{2}}{(x^{2}+1)^{2}} dx = \frac{\pi}{4} \]