Faraday effect: Difference between revisions

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In [[mathematics]], a '''quadratic integral''' is an [[integral]] of the form


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:<math>\int \frac{dx}{a+bx+cx^2}. </math>
 
It can be evaluated by [[completing the square]] in the [[denominator]].
 
:<math>\int \frac{dx}{a+bx+cx^2} = \frac{1}{c} \int  \frac{dx}{\left( x+ \frac{b}{2c} \right)^2 + \left( \frac{a}{c} - \frac{b^2}{4c^2} \right)}. </math>
 
==Positive-discriminant case==
 
Assume that the [[discriminant]] ''q'' = ''b''<sup>2</sup>&nbsp;&minus;&nbsp;4''ac'' is positive. In that case, define ''u'' and ''A'' by
 
:<math>u = x + \frac{b}{2c} </math>,
 
and
 
:<math> -A^2 = \frac{a}{c} - \frac{b^2}{4c^2} = \frac{1}{4c^2} \left( 4ac - b^2 \right). </math>
 
The quadratic integral can now be written as
 
:<math> \int \frac{dx}{a+bx+cx^2} = \frac1c \int \frac{du}{u^2-A^2} = \frac1c \int \frac{du}{(u+A)(u-A)}. </math>
 
The [[partial fraction decomposition]]
 
:<math> \frac{1}{(u+A)(u-A)} = \frac{1}{2A} \left( \frac{1}{u-A} - \frac{1}{u+A} \right) </math>
 
allows us to evaluate the integral:
 
:<math> \frac1c \int \frac{du}{(u+A)(u-A)} = \frac{1}{2Ac} \ln \left( \frac{u - A}{u + A} \right) + \text{constant}. </math>
 
The final result for the original integral, under the assumption that ''q'' > 0, is
 
:<math> \int \frac{dx}{a+bx+cx^2} = \frac{1}{ \sqrt{q}} \ln \left( \frac{2cx + b - \sqrt{q}}{2cx+b+ \sqrt{q}} \right) + \text{constant, where } q = b^2 - 4ac. </math>
 
==Negative-discriminant case==
 
:''This (hastily written) section may need attention.''
 
In case the [[discriminant]] ''q'' = ''b''<sup>2</sup>&nbsp;&minus;&nbsp;4''ac'' is negative, the second term in the denominator in
 
:<math>\int \frac{dx}{a+bx+cx^2} = \frac{1}{c} \int  \frac{dx}{\left( x+ \frac{b}{2c} \right)^2 + \left( \frac{a}{c} - \frac{b^2}{4c^2} \right)}. </math>
 
is positive.  Then the integral becomes
 
:<math>
\begin{align}
& {} \qquad \frac{1}{c} \int \frac{ du} {u^2 + A^2} \\[9pt]
& = \frac{1}{cA} \int \frac{du/A}{(u/A)^2 + 1 } \\[9pt]
& = \frac{1}{cA} \int \frac{dw}{w^2 + 1} \\[9pt]
& = \frac{1}{cA} \arctan(w) + \mathrm{constant} \\[9pt]
& = \frac{1}{cA} \arctan\left(\frac{u}{A}\right) + \text{constant} \\[9pt]
& = \frac{1}{c\sqrt{\frac{a}{c} - \frac{b^2}{4c^2}}} \arctan
\left(\frac{x + \frac{b}{2c}}{\sqrt{\frac{a}{c} - \frac{b^2}{4c^2}}}\right) + \text{constant} \\[9pt]
& = \frac{2}{\sqrt{4ac - b^2\, }}
\arctan\left(\frac{2cx + b}{\sqrt{4ac - b^2}}\right) + \text{constant}.
\end{align}
</math>
 
==References==
*Weisstein, Eric W. "[http://mathworld.wolfram.com/QuadraticIntegral.html Quadratic Integral]." From ''MathWorld''--A Wolfram Web Resource, wherein the following is referenced:
*Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. ''Tables of Integrals, Series, and Products,'' 6th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2000.
 
[[Category:Integral calculus]]

Revision as of 07:53, 31 January 2014

In mathematics, a quadratic integral is an integral of the form

dxa+bx+cx2.

It can be evaluated by completing the square in the denominator.

dxa+bx+cx2=1cdx(x+b2c)2+(acb24c2).

Positive-discriminant case

Assume that the discriminant q = b2 − 4ac is positive. In that case, define u and A by

u=x+b2c,

and

A2=acb24c2=14c2(4acb2).

The quadratic integral can now be written as

dxa+bx+cx2=1cduu2A2=1cdu(u+A)(uA).

The partial fraction decomposition

1(u+A)(uA)=12A(1uA1u+A)

allows us to evaluate the integral:

1cdu(u+A)(uA)=12Acln(uAu+A)+constant.

The final result for the original integral, under the assumption that q > 0, is

dxa+bx+cx2=1qln(2cx+bq2cx+b+q)+constant, where q=b24ac.

Negative-discriminant case

This (hastily written) section may need attention.

In case the discriminant q = b2 − 4ac is negative, the second term in the denominator in

dxa+bx+cx2=1cdx(x+b2c)2+(acb24c2).

is positive. Then the integral becomes

1cduu2+A2=1cAdu/A(u/A)2+1=1cAdww2+1=1cAarctan(w)+constant=1cAarctan(uA)+constant=1cacb24c2arctan(x+b2cacb24c2)+constant=24acb2arctan(2cx+b4acb2)+constant.

References

  • Weisstein, Eric W. "Quadratic Integral." From MathWorld--A Wolfram Web Resource, wherein the following is referenced:
  • Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. Tables of Integrals, Series, and Products, 6th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2000.