3.346 \(\int \cos (e+f x) (a+a \sec (e+f x))^m \, dx\)

Optimal. Leaf size=84 \[ -\frac{\sqrt{2} \tan (e+f x) (a \sec (e+f x)+a)^m F_1\left (m+\frac{1}{2};\frac{1}{2},2;m+\frac{3}{2};\frac{1}{2} (\sec (e+f x)+1),\sec (e+f x)+1\right )}{f (2 m+1) \sqrt{1-\sec (e+f x)}} \]

[Out]

-((Sqrt[2]*AppellF1[1/2 + m, 1/2, 2, 3/2 + m, (1 + Sec[e + f*x])/2, 1 + Sec[e + f*x]]*(a + a*Sec[e + f*x])^m*T
an[e + f*x])/(f*(1 + 2*m)*Sqrt[1 - Sec[e + f*x]]))

________________________________________________________________________________________

Rubi [A]  time = 0.0963728, antiderivative size = 84, normalized size of antiderivative = 1., number of steps used = 3, number of rules used = 3, integrand size = 19, \(\frac{\text{number of rules}}{\text{integrand size}}\) = 0.158, Rules used = {3828, 3827, 136} \[ -\frac{\sqrt{2} \tan (e+f x) (a \sec (e+f x)+a)^m F_1\left (m+\frac{1}{2};\frac{1}{2},2;m+\frac{3}{2};\frac{1}{2} (\sec (e+f x)+1),\sec (e+f x)+1\right )}{f (2 m+1) \sqrt{1-\sec (e+f x)}} \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

Int[Cos[e + f*x]*(a + a*Sec[e + f*x])^m,x]

[Out]

-((Sqrt[2]*AppellF1[1/2 + m, 1/2, 2, 3/2 + m, (1 + Sec[e + f*x])/2, 1 + Sec[e + f*x]]*(a + a*Sec[e + f*x])^m*T
an[e + f*x])/(f*(1 + 2*m)*Sqrt[1 - Sec[e + f*x]]))

Rule 3828

Int[(csc[(e_.) + (f_.)*(x_)]*(d_.))^(n_.)*(csc[(e_.) + (f_.)*(x_)]*(b_.) + (a_))^(m_), x_Symbol] :> Dist[(a^In
tPart[m]*(a + b*Csc[e + f*x])^FracPart[m])/(1 + (b*Csc[e + f*x])/a)^FracPart[m], Int[(1 + (b*Csc[e + f*x])/a)^
m*(d*Csc[e + f*x])^n, x], x] /; FreeQ[{a, b, d, e, f, m, n}, x] && EqQ[a^2 - b^2, 0] &&  !IntegerQ[m] &&  !GtQ
[a, 0]

Rule 3827

Int[(csc[(e_.) + (f_.)*(x_)]*(d_.))^(n_.)*(csc[(e_.) + (f_.)*(x_)]*(b_.) + (a_))^(m_), x_Symbol] :> Dist[(a^2*
d*Cot[e + f*x])/(f*Sqrt[a + b*Csc[e + f*x]]*Sqrt[a - b*Csc[e + f*x]]), Subst[Int[((d*x)^(n - 1)*(a + b*x)^(m -
 1/2))/Sqrt[a - b*x], x], x, Csc[e + f*x]], x] /; FreeQ[{a, b, d, e, f, m, n}, x] && EqQ[a^2 - b^2, 0] &&  !In
tegerQ[m] && GtQ[a, 0]

Rule 136

Int[((a_) + (b_.)*(x_))^(m_)*((c_.) + (d_.)*(x_))^(n_)*((e_.) + (f_.)*(x_))^(p_), x_Symbol] :> Simp[((b*e - a*
f)^p*(a + b*x)^(m + 1)*AppellF1[m + 1, -n, -p, m + 2, -((d*(a + b*x))/(b*c - a*d)), -((f*(a + b*x))/(b*e - a*f
))])/(b^(p + 1)*(m + 1)*(b/(b*c - a*d))^n), x] /; FreeQ[{a, b, c, d, e, f, m, n}, x] &&  !IntegerQ[m] &&  !Int
egerQ[n] && IntegerQ[p] && GtQ[b/(b*c - a*d), 0] &&  !(GtQ[d/(d*a - c*b), 0] && SimplerQ[c + d*x, a + b*x])

Rubi steps

\begin{align*} \int \cos (e+f x) (a+a \sec (e+f x))^m \, dx &=\left ((1+\sec (e+f x))^{-m} (a+a \sec (e+f x))^m\right ) \int \cos (e+f x) (1+\sec (e+f x))^m \, dx\\ &=-\frac{\left ((1+\sec (e+f x))^{-\frac{1}{2}-m} (a+a \sec (e+f x))^m \tan (e+f x)\right ) \operatorname{Subst}\left (\int \frac{(1+x)^{-\frac{1}{2}+m}}{\sqrt{1-x} x^2} \, dx,x,\sec (e+f x)\right )}{f \sqrt{1-\sec (e+f x)}}\\ &=-\frac{\sqrt{2} F_1\left (\frac{1}{2}+m;\frac{1}{2},2;\frac{3}{2}+m;\frac{1}{2} (1+\sec (e+f x)),1+\sec (e+f x)\right ) (a+a \sec (e+f x))^m \tan (e+f x)}{f (1+2 m) \sqrt{1-\sec (e+f x)}}\\ \end{align*}

Mathematica [B]  time = 16.931, size = 3781, normalized size = 45.01 \[ \text{Result too large to show} \]

Warning: Unable to verify antiderivative.

[In]

Integrate[Cos[e + f*x]*(a + a*Sec[e + f*x])^m,x]

[Out]

(2^(1 + m)*Cos[(e + f*x)/2]^3*Cos[e + f*x]*(Cos[(e + f*x)/2]^2*Sec[e + f*x])^m*(a*(1 + Sec[e + f*x]))^m*Sin[(e
 + f*x)/2]*((-3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2)/(3*Appel
lF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2,
 -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)
/2]^2) + (2*AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(
e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]
 + m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3)))/(f*(2^m*C
os[(e + f*x)/2]^4*(Cos[(e + f*x)/2]^2*Sec[e + f*x])^m*((-3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(
e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2)/(3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - 2*(A
ppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x
)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2) + (2*AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e +
f*x)/2]^2])/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/
2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x
)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3)) - 3*2^m*Cos[(e + f*x)/2]^2*(Cos[(e + f*x)/2]^2*Sec[e + f*x])^m*Sin[(e + f*x)/
2]^2*((-3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2)/(3*AppellF1[1/
2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[
(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)
 + (2*AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*
x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*A
ppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3)) + 2^(1 + m)*Cos[
(e + f*x)/2]^3*(Cos[(e + f*x)/2]^2*Sec[e + f*x])^m*Sin[(e + f*x)/2]*((-3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x
)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/(3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]
^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3
/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2) - (3*Sec[(e + f*x)/2]^2*(-(Ap
pellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3 + (m*Ap
pellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3))/(
3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x
)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e
 + f*x)/2]^2) + (2*((-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*T
an[(e + f*x)/2])/3 + (m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]
^2*Tan[(e + f*x)/2])/3))/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[
3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2,
-Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3) + (3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/
2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*(-2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3
/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2] + 3*(-(Appell
F1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3 + (m*Appell
F1[3/2, 1 + m, 1, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3) - 2*Ta
n[(e + f*x)/2]^2*((-6*AppellF1[5/2, m, 3, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan
[(e + f*x)/2])/5 + (3*m*AppellF1[5/2, 1 + m, 2, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]
^2*Tan[(e + f*x)/2])/5 - m*((-3*AppellF1[5/2, 1 + m, 2, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e +
 f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5 + (3*(1 + m)*AppellF1[5/2, 2 + m, 1, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]
^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5))))/(3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/
2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2,
Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)^2 - (2*AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]
^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*((-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/
2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3 + (m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f
*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3 + (2*(-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*Ap
pellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/3 +
(2*Tan[(e + f*x)/2]^2*(-2*((-9*AppellF1[5/2, m, 4, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)
/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5 + (3*m*AppellF1[5/2, 1 + m, 3, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e
+ f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5) + m*((-6*AppellF1[5/2, 1 + m, 3, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2
]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5 + (3*(1 + m)*AppellF1[5/2, 2 + m, 2, 7/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e
 + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2*Tan[(e + f*x)/2])/5)))/3))/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan
[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[3/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*AppellF1[3/2,
1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3)^2) + 2^(1 + m)*m*Cos[(e + f*x)
/2]^3*(Cos[(e + f*x)/2]^2*Sec[e + f*x])^(-1 + m)*Sin[(e + f*x)/2]*((-3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/
2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2]*Sec[(e + f*x)/2]^2)/(3*AppellF1[1/2, m, 1, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/
2]^2] - 2*(AppellF1[3/2, m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] - m*AppellF1[3/2, 1 + m, 1, 5/2,
Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2) + (2*AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2
, -Tan[(e + f*x)/2]^2])/(AppellF1[1/2, m, 2, 3/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + (2*(-2*AppellF1[3
/2, m, 3, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -Tan[(e + f*x)/2]^2] + m*AppellF1[3/2, 1 + m, 2, 5/2, Tan[(e + f*x)/2]^2, -
Tan[(e + f*x)/2]^2])*Tan[(e + f*x)/2]^2)/3))*(-(Cos[(e + f*x)/2]*Sec[e + f*x]*Sin[(e + f*x)/2]) + Cos[(e + f*x
)/2]^2*Sec[e + f*x]*Tan[e + f*x])))

________________________________________________________________________________________

Maple [F]  time = 0.373, size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \cos \left ( fx+e \right ) \left ( a+a\sec \left ( fx+e \right ) \right ) ^{m}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

int(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))^m,x)

[Out]

int(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))^m,x)

________________________________________________________________________________________

Maxima [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (a \sec \left (f x + e\right ) + a\right )}^{m} \cos \left (f x + e\right )\,{d x} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))^m,x, algorithm="maxima")

[Out]

integrate((a*sec(f*x + e) + a)^m*cos(f*x + e), x)

________________________________________________________________________________________

Fricas [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*}{\rm integral}\left ({\left (a \sec \left (f x + e\right ) + a\right )}^{m} \cos \left (f x + e\right ), x\right ) \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))^m,x, algorithm="fricas")

[Out]

integral((a*sec(f*x + e) + a)^m*cos(f*x + e), x)

________________________________________________________________________________________

Sympy [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \left (a \left (\sec{\left (e + f x \right )} + 1\right )\right )^{m} \cos{\left (e + f x \right )}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))**m,x)

[Out]

Integral((a*(sec(e + f*x) + 1))**m*cos(e + f*x), x)

________________________________________________________________________________________

Giac [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (a \sec \left (f x + e\right ) + a\right )}^{m} \cos \left (f x + e\right )\,{d x} \end{align*}

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[In]

integrate(cos(f*x+e)*(a+a*sec(f*x+e))^m,x, algorithm="giac")

[Out]

integrate((a*sec(f*x + e) + a)^m*cos(f*x + e), x)