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Use integral tables to evaluate the integral. \[ \int x^{2} \tan ^{-1} x d x \]

Ask by Byrd Wagner. in the United States
Jan 24,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

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The integral of \( x^{2} \tan^{-1} x \) with respect to \( x \) is: \[ \frac{x^{3}}{3} \tan^{-1} x - \frac{x^{2}}{6} + \frac{1}{6} \ln(1 + x^{2}) + C \] where \( C \) is the constant of integration.

Solución

To evaluate the integral \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx, \] we can use **integration by parts**. Recall the integration by parts formula: \[ \int u \, dv = uv - \int v \, du. \] **Step 1: Choose \( u \) and \( dv \)** Let: - \( u = \tan^{-1} x \) - \( dv = x^{2} dx \) Then, compute \( du \) and \( v \): \[ du = \frac{1}{1 + x^{2}} dx, \] \[ v = \int x^{2} dx = \frac{x^{3}}{3}. \] **Step 2: Apply Integration by Parts** Using the formula: \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \frac{x^{3}}{3} \tan^{-1} x - \int \frac{x^{3}}{3} \cdot \frac{1}{1 + x^{2}} dx. \] Simplify the remaining integral: \[ \int \frac{x^{3}}{3(1 + x^{2})} dx = \frac{1}{3} \int \frac{x^{3}}{1 + x^{2}} dx. \] **Step 3: Simplify the Integral** Notice that: \[ \frac{x^{3}}{1 + x^{2}} = x - \frac{x}{1 + x^{2}}. \] Thus, \[ \frac{1}{3} \int \left( x - \frac{x}{1 + x^{2}} \right) dx = \frac{1}{3} \left( \frac{x^{2}}{2} - \frac{1}{2} \ln(1 + x^{2}) \right) + C. \] **Step 4: Combine All Parts** Putting it all together: \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \frac{x^{3}}{3} \tan^{-1} x - \frac{x^{2}}{6} + \frac{1}{6} \ln(1 + x^{2}) + C, \] where \( C \) is the constant of integration. **Final Answer:** After expanding, an antiderivative is (x³⁄3) arctanx minus one sixth x² plus one sixth log (1 + x²) plus C. Thus, ∫x² arctanx dx = (x³/3) tan⁻¹x − x²/6 + (1/6) ln(1+x²) + C

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The Deep Dive

To evaluate the integral \( \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx \), we can use integration by parts. We will let: - \( u = \tan^{-1} x \) so that \( du = \frac{1}{1+x^2} \, dx \) - \( dv = x^2 \, dx \) so that \( v = \frac{x^3}{3} \) Applying integration by parts, we use the formula: \[ \int u \, dv = uv - \int v \, du \] We substitute in our choices: \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \tan^{-1} x \cdot \frac{x^3}{3} - \int \frac{x^3}{3} \cdot \frac{1}{1+x^2} \, dx \] This simplifies to: \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \frac{x^3}{3} \tan^{-1} x - \frac{1}{3} \int \frac{x^3}{1+x^2} \, dx \] Next, we simplify the integral \(\int \frac{x^3}{1+x^2} \, dx\): \[ \frac{x^3}{1+x^2} = \frac{x^3 + x^2 - x^2}{1+x^2} = x - \frac{x^2}{1+x^2} \] Then, we can write: \[ \int \frac{x^3}{1+x^2} \, dx = \int x \, dx - \int \frac{x^2}{1+x^2} \, dx \] Calculating the first integral: \[ \int x \, dx = \frac{x^2}{2} \] Now calculate \(\int \frac{x^2}{1+x^2} \, dx\), which can be approached using substitution or rewriting: \[ \int \frac{x^2}{1+x^2} \, dx = \int (1 - \frac{1}{1+x^2}) \, dx = x - \tan^{-1} x \] Putting it all together: \[ \int \frac{x^3}{1+x^2} \, dx = \frac{x^2}{2} - \left( x - \tan^{-1} x \right) \] \[ = \frac{x^2}{2} - x + \tan^{-1} x \] Now substituting back into our expression for \(\int x^{2} \tan^{-1} x \, dx\): \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \frac{x^3}{3} \tan^{-1} x - \frac{1}{3} \left( \frac{x^2}{2} - x + \tan^{-1} x \right) \] Distributing \(-\frac{1}{3}\): \[ = \frac{x^3}{3} \tan^{-1} x - \frac{x^2}{6} + \frac{x}{3} - \frac{1}{3} \tan^{-1} x \] Finally, combining like terms gives: \[ = \left( \frac{x^3}{3} - \frac{1}{3} \right) \tan^{-1} x + \frac{x}{3} - \frac{x^2}{6} + C \] Thus, the evaluated integral is: \[ \int x^{2} \tan^{-1} x \, dx = \frac{x^3}{3} \tan^{-1} x - \frac{x^2}{6} + \frac{x}{3} + C \]

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