3.139 \(\int (a+b \sec ^2(e+f x))^p \sin ^2(e+f x) \, dx\)

Optimal. Leaf size=88 \[ \frac{\tan ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)+b\right )^p \left (\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}+1\right )^{-p} F_1\left (\frac{3}{2};2,-p;\frac{5}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}\right )}{3 f} \]

[Out]

(AppellF1[3/2, 2, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Tan[e + f*x]^3*(a + b + b*Tan[e + f
*x]^2)^p)/(3*f*(1 + (b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))^p)

________________________________________________________________________________________

Rubi [A]  time = 0.0985019, antiderivative size = 88, normalized size of antiderivative = 1., number of steps used = 3, number of rules used = 3, integrand size = 23, \(\frac{\text{number of rules}}{\text{integrand size}}\) = 0.13, Rules used = {4132, 511, 510} \[ \frac{\tan ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)+b\right )^p \left (\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}+1\right )^{-p} F_1\left (\frac{3}{2};2,-p;\frac{5}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}\right )}{3 f} \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

Int[(a + b*Sec[e + f*x]^2)^p*Sin[e + f*x]^2,x]

[Out]

(AppellF1[3/2, 2, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Tan[e + f*x]^3*(a + b + b*Tan[e + f
*x]^2)^p)/(3*f*(1 + (b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))^p)

Rule 4132

Int[((a_) + (b_.)*sec[(e_.) + (f_.)*(x_)]^(n_))^(p_.)*sin[(e_.) + (f_.)*(x_)]^(m_), x_Symbol] :> With[{ff = Fr
eeFactors[Tan[e + f*x], x]}, Dist[ff^(m + 1)/f, Subst[Int[(x^m*ExpandToSum[a + b*(1 + ff^2*x^2)^(n/2), x]^p)/(
1 + ff^2*x^2)^(m/2 + 1), x], x, Tan[e + f*x]/ff], x]] /; FreeQ[{a, b, e, f, p}, x] && IntegerQ[m/2] && Integer
Q[n/2]

Rule 511

Int[((e_.)*(x_))^(m_.)*((a_) + (b_.)*(x_)^(n_))^(p_)*((c_) + (d_.)*(x_)^(n_))^(q_), x_Symbol] :> Dist[(a^IntPa
rt[p]*(a + b*x^n)^FracPart[p])/(1 + (b*x^n)/a)^FracPart[p], Int[(e*x)^m*(1 + (b*x^n)/a)^p*(c + d*x^n)^q, x], x
] /; FreeQ[{a, b, c, d, e, m, n, p, q}, x] && NeQ[b*c - a*d, 0] && NeQ[m, -1] && NeQ[m, n - 1] &&  !(IntegerQ[
p] || GtQ[a, 0])

Rule 510

Int[((e_.)*(x_))^(m_.)*((a_) + (b_.)*(x_)^(n_))^(p_)*((c_) + (d_.)*(x_)^(n_))^(q_), x_Symbol] :> Simp[(a^p*c^q
*(e*x)^(m + 1)*AppellF1[(m + 1)/n, -p, -q, 1 + (m + 1)/n, -((b*x^n)/a), -((d*x^n)/c)])/(e*(m + 1)), x] /; Free
Q[{a, b, c, d, e, m, n, p, q}, x] && NeQ[b*c - a*d, 0] && NeQ[m, -1] && NeQ[m, n - 1] && (IntegerQ[p] || GtQ[a
, 0]) && (IntegerQ[q] || GtQ[c, 0])

Rubi steps

\begin{align*} \int \left (a+b \sec ^2(e+f x)\right )^p \sin ^2(e+f x) \, dx &=\frac{\operatorname{Subst}\left (\int \frac{x^2 \left (a+b+b x^2\right )^p}{\left (1+x^2\right )^2} \, dx,x,\tan (e+f x)\right )}{f}\\ &=\frac{\left (\left (a+b+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (1+\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}\right )^{-p}\right ) \operatorname{Subst}\left (\int \frac{x^2 \left (1+\frac{b x^2}{a+b}\right )^p}{\left (1+x^2\right )^2} \, dx,x,\tan (e+f x)\right )}{f}\\ &=\frac{F_1\left (\frac{3}{2};2,-p;\frac{5}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}\right ) \tan ^3(e+f x) \left (a+b+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (1+\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a+b}\right )^{-p}}{3 f}\\ \end{align*}

Mathematica [B]  time = 21.9097, size = 3781, normalized size = 42.97 \[ \text{Result too large to show} \]

Warning: Unable to verify antiderivative.

[In]

Integrate[(a + b*Sec[e + f*x]^2)^p*Sin[e + f*x]^2,x]

[Out]

(3*(a + b)*(a + 2*b + a*Cos[2*(e + f*x)])^p*(Sec[e + f*x]^2)^(-2 + p)*(a + b*Sec[e + f*x]^2)^p*Sin[e + f*x]^2*
Tan[e + f*x]*(AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]/(-3*(a + b)*AppellF1[1
/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e
 + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e +
 f*x]^2)/(a + b))])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^
2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b
*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*AppellF1[3/2, -p, 2,
 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)))/(f*(3*(a + b)*(a + 2*b + a*Cos[2*(e +
 f*x)])^p*(Sec[e + f*x]^2)^(-1 + p)*(AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]
/(-3*(a + b)*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*p*AppellF1[3/2
, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e
 + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(
a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)),
-Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a +
b)*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)) - 6*a*(a + b)*p
*(a + 2*b + a*Cos[2*(e + f*x)])^(-1 + p)*(Sec[e + f*x]^2)^(-2 + p)*Sin[2*(e + f*x)]*Tan[e + f*x]*(AppellF1[1/2
, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]/(-3*(a + b)*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f
*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*
x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))])*Tan[e
+ f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*(a +
 b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1,
 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)
/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)) + 6*(a + b)*(-2 + p)*(a + 2*b + a*Cos[2*(e + f*x)])^p*(Sec[e + f
*x]^2)^(-2 + p)*Tan[e + f*x]^2*(AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]/(-3*
(a + b)*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*p*AppellF1[3/2, 2,
1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*
x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b
)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[
e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*Ap
pellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)) + 3*(a + b)*(a + 2*b
 + a*Cos[2*(e + f*x)])^p*(Sec[e + f*x]^2)^(-2 + p)*Tan[e + f*x]*(((2*b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e +
 f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*(a + b)) - (4*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2
, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/3)/(-3*(a + b)*AppellF1[1/2, 2,
 -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x
]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^
2)/(a + b))])*Tan[e + f*x]^2) + (2*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*S
ec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^
2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*AppellF1[3/
2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2) + (Sec[e + f*x]^2*((2*b*p*Appe
llF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*(a +
b)) - (2*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x]
)/3))/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3
/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Ta
n[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2) - (AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*T
an[e + f*x]^2)/(a + b))]*(4*(-(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))
]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))])*Sec[e + f*x]^2*Tan[e
 + f*x] - 3*(a + b)*((2*b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e
 + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*(a + b)) - (4*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a +
b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/3) + 2*Tan[e + f*x]^2*(-(b*p*((-6*b*(1 - p)*AppellF1[5/2, 2, 2 - p, 7/2, -Ta
n[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(5*(a + b)) - (12*AppellF1[5/2, 3, 1
 - p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/5)) + 2*(a + b)*((6*b*
p*AppellF1[5/2, 3, 1 - p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(5
*(a + b)) - (18*AppellF1[5/2, 4, -p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e
 + f*x])/5))))/(-3*(a + b)*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))] + 2*(-(b*
p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))]) + 2*(a + b)*AppellF1[3/2, 3, -
p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b))])*Tan[e + f*x]^2)^2 - (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*T
an[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*(4*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x
]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*
x]^2])*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x] + 3*(a + b)*((2*b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a +
b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*(a + b)) - (2*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x
]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/3) + 2*Tan[e + f*x]^2*(b*p*((-6*AppellF1[5/2, 1 -
 p, 2, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/5 - (6*b*(1 - p)*Appe
llF1[5/2, 2 - p, 1, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(5*(a +
b))) - (a + b)*((6*b*p*AppellF1[5/2, 1 - p, 2, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*
x]^2*Tan[e + f*x])/(5*(a + b)) - (12*AppellF1[5/2, -p, 3, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2]
*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/5))))/(3*(a + b)*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e
 + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2] - (a + b)*App
ellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/(a + b)), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)^2)))

________________________________________________________________________________________

Maple [F]  time = 0.872, size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \left ( a+b \left ( \sec \left ( fx+e \right ) \right ) ^{2} \right ) ^{p} \left ( \sin \left ( fx+e \right ) \right ) ^{2}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

int((a+b*sec(f*x+e)^2)^p*sin(f*x+e)^2,x)

[Out]

int((a+b*sec(f*x+e)^2)^p*sin(f*x+e)^2,x)

________________________________________________________________________________________

Maxima [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (b \sec \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p} \sin \left (f x + e\right )^{2}\,{d x} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate((a+b*sec(f*x+e)^2)^p*sin(f*x+e)^2,x, algorithm="maxima")

[Out]

integrate((b*sec(f*x + e)^2 + a)^p*sin(f*x + e)^2, x)

________________________________________________________________________________________

Fricas [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*}{\rm integral}\left (-{\left (\cos \left (f x + e\right )^{2} - 1\right )}{\left (b \sec \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p}, x\right ) \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate((a+b*sec(f*x+e)^2)^p*sin(f*x+e)^2,x, algorithm="fricas")

[Out]

integral(-(cos(f*x + e)^2 - 1)*(b*sec(f*x + e)^2 + a)^p, x)

________________________________________________________________________________________

Sympy [F(-1)]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \text{Timed out} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate((a+b*sec(f*x+e)**2)**p*sin(f*x+e)**2,x)

[Out]

Timed out

________________________________________________________________________________________

Giac [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (b \sec \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p} \sin \left (f x + e\right )^{2}\,{d x} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate((a+b*sec(f*x+e)^2)^p*sin(f*x+e)^2,x, algorithm="giac")

[Out]

integrate((b*sec(f*x + e)^2 + a)^p*sin(f*x + e)^2, x)