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11. \( \int_{0}^{2} \frac{e^{x}}{1+e^{2 x}} d x \)

Ask by Colon Haynes. in the United States
Feb 02,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

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The integral evaluates to \( \arctan(e^{2}) - \frac{\pi}{4} \).

Solución

To evaluate the integral: \[ I = \int_{0}^{2} \frac{e^{x}}{1 + e^{2x}} \, dx \] **Step 1: Substitution** Let \( u = e^x \). Then, \( du = e^x dx \), or equivalently, \( dx = \frac{du}{u} \). **Step 2: Change of Limits** When \( x = 0 \): \[ u = e^0 = 1 \] When \( x = 2 \): \[ u = e^2 \] **Step 3: Rewrite the Integral** Substituting \( u \) and \( dx \) into the integral: \[ I = \int_{1}^{e^2} \frac{u}{1 + u^2} \cdot \frac{du}{u} = \int_{1}^{e^2} \frac{1}{1 + u^2} \, du \] **Step 4: Integrate** The integral of \( \frac{1}{1 + u^2} \) is \( \arctan(u) \): \[ I = \left[ \arctan(u) \right]_{1}^{e^2} = \arctan(e^2) - \arctan(1) \] Since \( \arctan(1) = \frac{\pi}{4} \): \[ I = \arctan(e^2) - \frac{\pi}{4} \] **Final Answer:** \[ \boxed{\,\arctan\left(e^{2}\right)\;-\;\dfrac{\pi}{4}\,} \]

Revisado y aprobado por el equipo de tutoría de UpStudy

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Bonus Knowledge

To evaluate the integral \( \int_{0}^{2} \frac{e^{x}}{1+e^{2 x}} d x \), we can use substitution to simplify our calculations. First, notice that \( e^{2x} = (e^x)^2 \). Let's set \( u = e^x \), then \( du = e^x \, dx \) or \( dx = \frac{du}{u} \). The limits change accordingly; when \( x = 0 \), \( u = e^0 = 1 \), and when \( x = 2 \), \( u = e^2 \). Substituting, we have: \[ \int_{1}^{e^2} \frac{u}{1 + u^2} \cdot \frac{du}{u} = \int_{1}^{e^2} \frac{1}{1 + u^2} \, du \] This integral simplifies to: \[ \int_{1}^{e^2} \frac{1}{1 + u^2} \, du \] The integral of \( \frac{1}{1 + u^2} \) is \( \tan^{-1}(u) \). Therefore, we have: \[ \tan^{-1}(u) \bigg|_{1}^{e^2} = \tan^{-1}(e^2) - \tan^{-1}(1) \] Since \( \tan^{-1}(1) = \frac{\pi}{4} \), the final result will be: \[ \tan^{-1}(e^2) - \frac{\pi}{4} \] Thus, the value of the integral is: \[ \int_{0}^{2} \frac{e^{x}}{1+e^{2 x}} d x = \tan^{-1}(e^2) - \frac{\pi}{4} \]

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