3.214 \(\int \coth (x) \sqrt{a+b \tanh ^2(x)} \, dx\)

Optimal. Leaf size=56 \[ \sqrt{a+b} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a+b}}\right )-\sqrt{a} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a}}\right ) \]

[Out]

-(Sqrt[a]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a]]) + Sqrt[a + b]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a + b]]

________________________________________________________________________________________

Rubi [A]  time = 0.111944, antiderivative size = 56, normalized size of antiderivative = 1., number of steps used = 7, number of rules used = 5, integrand size = 15, \(\frac{\text{number of rules}}{\text{integrand size}}\) = 0.333, Rules used = {3670, 446, 83, 63, 208} \[ \sqrt{a+b} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a+b}}\right )-\sqrt{a} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a}}\right ) \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

Int[Coth[x]*Sqrt[a + b*Tanh[x]^2],x]

[Out]

-(Sqrt[a]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a]]) + Sqrt[a + b]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a + b]]

Rule 3670

Int[((d_.)*tan[(e_.) + (f_.)*(x_)])^(m_.)*((a_) + (b_.)*((c_.)*tan[(e_.) + (f_.)*(x_)])^(n_))^(p_.), x_Symbol]
:> With[{ff = FreeFactors[Tan[e + f*x], x]}, Dist[(c*ff)/f, Subst[Int[(((d*ff*x)/c)^m*(a + b*(ff*x)^n)^p)/(c^
2 + ff^2*x^2), x], x, (c*Tan[e + f*x])/ff], x]] /; FreeQ[{a, b, c, d, e, f, m, n, p}, x] && (IGtQ[p, 0] || EqQ
[n, 2] || EqQ[n, 4] || (IntegerQ[p] && RationalQ[n]))

Rule 446

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

Rule 83

Int[((e_.) + (f_.)*(x_))^(p_.)/(((a_.) + (b_.)*(x_))*((c_.) + (d_.)*(x_))), x_Symbol] :> Dist[(b*e - a*f)/(b*c
- a*d), Int[(e + f*x)^(p - 1)/(a + b*x), x], x] - Dist[(d*e - c*f)/(b*c - a*d), Int[(e + f*x)^(p - 1)/(c + d*
x), x], x] /; FreeQ[{a, b, c, d, e, f}, x] && LtQ[0, p, 1]

Rule 63

Int[((a_.) + (b_.)*(x_))^(m_)*((c_.) + (d_.)*(x_))^(n_), x_Symbol] :> With[{p = Denominator[m]}, Dist[p/b, Sub
st[Int[x^(p*(m + 1) - 1)*(c - (a*d)/b + (d*x^p)/b)^n, x], x, (a + b*x)^(1/p)], x]] /; FreeQ[{a, b, c, d}, x] &
& NeQ[b*c - a*d, 0] && LtQ[-1, m, 0] && LeQ[-1, n, 0] && LeQ[Denominator[n], Denominator[m]] && IntLinearQ[a,
b, c, d, m, n, x]

Rule 208

Int[((a_) + (b_.)*(x_)^2)^(-1), x_Symbol] :> Simp[(Rt[-(a/b), 2]*ArcTanh[x/Rt[-(a/b), 2]])/a, x] /; FreeQ[{a,
b}, x] && NegQ[a/b]

Rubi steps

\begin{align*} \int \coth (x) \sqrt{a+b \tanh ^2(x)} \, dx &=\operatorname{Subst}\left (\int \frac{\sqrt{a+b x^2}}{x \left (1-x^2\right )} \, dx,x,\tanh (x)\right )\\ &=\frac{1}{2} \operatorname{Subst}\left (\int \frac{\sqrt{a+b x}}{(1-x) x} \, dx,x,\tanh ^2(x)\right )\\ &=\frac{1}{2} a \operatorname{Subst}\left (\int \frac{1}{x \sqrt{a+b x}} \, dx,x,\tanh ^2(x)\right )+\frac{1}{2} (a+b) \operatorname{Subst}\left (\int \frac{1}{(1-x) \sqrt{a+b x}} \, dx,x,\tanh ^2(x)\right )\\ &=\frac{a \operatorname{Subst}\left (\int \frac{1}{-\frac{a}{b}+\frac{x^2}{b}} \, dx,x,\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}\right )}{b}+\frac{(a+b) \operatorname{Subst}\left (\int \frac{1}{1+\frac{a}{b}-\frac{x^2}{b}} \, dx,x,\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}\right )}{b}\\ &=-\sqrt{a} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a}}\right )+\sqrt{a+b} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a+b}}\right )\\ \end{align*}

Mathematica [A]  time = 0.0277698, size = 56, normalized size = 1. \[ \sqrt{a+b} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a+b}}\right )-\sqrt{a} \tanh ^{-1}\left (\frac{\sqrt{a+b \tanh ^2(x)}}{\sqrt{a}}\right ) \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

Integrate[Coth[x]*Sqrt[a + b*Tanh[x]^2],x]

[Out]

-(Sqrt[a]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a]]) + Sqrt[a + b]*ArcTanh[Sqrt[a + b*Tanh[x]^2]/Sqrt[a + b]]

________________________________________________________________________________________

Maple [F]  time = 0.168, size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\rm coth} \left (x\right )\sqrt{a+b \left ( \tanh \left ( x \right ) \right ) ^{2}}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

int(coth(x)*(a+b*tanh(x)^2)^(1/2),x)

[Out]

int(coth(x)*(a+b*tanh(x)^2)^(1/2),x)

________________________________________________________________________________________

Maxima [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \sqrt{b \tanh \left (x\right )^{2} + a} \coth \left (x\right )\,{d x} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(coth(x)*(a+b*tanh(x)^2)^(1/2),x, algorithm="maxima")

[Out]

integrate(sqrt(b*tanh(x)^2 + a)*coth(x), x)

________________________________________________________________________________________

Fricas [B]  time = 3.59514, size = 9991, normalized size = 178.41 \begin{align*} \text{result too large to display} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(coth(x)*(a+b*tanh(x)^2)^(1/2),x, algorithm="fricas")

[Out]

[1/4*sqrt(a + b)*log(((a^3 + a^2*b)*cosh(x)^8 + 8*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)*sinh(x)^7 + (a^3 + a^2*b)*sinh(x)^8 +
2*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^6 + 2*(2*a^3 + a^2*b + 14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^2)*sinh(x)^6 + 4*(14*(a^3 + a^2*b)*c
osh(x)^3 + 3*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x))*sinh(x)^5 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x)^4 + (70*(a^3 + a^2*b
)*cosh(x)^4 + 6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3 + 30*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^2)*sinh(x)^4 + 4*(14*(a^3 + a^2*b)*co
sh(x)^5 + 10*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^3 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x))*sinh(x)^3 + a^3 + 3*a^2*b +
3*a*b^2 + b^3 + 2*(2*a^3 + 3*a^2*b - b^3)*cosh(x)^2 + 2*(14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^6 + 15*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(
x)^4 + 2*a^3 + 3*a^2*b - b^3 + 3*(6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x)^2)*sinh(x)^2 + sqrt(2)*(a^2*cosh(x)^6
+ 6*a^2*cosh(x)*sinh(x)^5 + a^2*sinh(x)^6 + 3*a^2*cosh(x)^4 + 3*(5*a^2*cosh(x)^2 + a^2)*sinh(x)^4 + 4*(5*a^2*
cosh(x)^3 + 3*a^2*cosh(x))*sinh(x)^3 + (3*a^2 + 2*a*b - b^2)*cosh(x)^2 + (15*a^2*cosh(x)^4 + 18*a^2*cosh(x)^2
+ 3*a^2 + 2*a*b - b^2)*sinh(x)^2 + a^2 + 2*a*b + b^2 + 2*(3*a^2*cosh(x)^5 + 6*a^2*cosh(x)^3 + (3*a^2 + 2*a*b -
b^2)*cosh(x))*sinh(x))*sqrt(a + b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x
)*sinh(x) + sinh(x)^2)) + 4*(2*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^7 + 3*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^5 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^
2 + b^3)*cosh(x)^3 + (2*a^3 + 3*a^2*b - b^3)*cosh(x))*sinh(x))/(cosh(x)^6 + 6*cosh(x)^5*sinh(x) + 15*cosh(x)^4
*sinh(x)^2 + 20*cosh(x)^3*sinh(x)^3 + 15*cosh(x)^2*sinh(x)^4 + 6*cosh(x)*sinh(x)^5 + sinh(x)^6)) + 1/2*sqrt(a)
*log(-((2*a + b)*cosh(x)^4 + 4*(2*a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (2*a + b)*sinh(x)^4 + 2*(2*a - b)*cosh(x)^2 + 2*(
3*(2*a + b)*cosh(x)^2 + 2*a - b)*sinh(x)^2 - 2*sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 + 1)*sqrt(a)
*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)) + 4*((2*a +
b)*cosh(x)^3 + (2*a - b)*cosh(x))*sinh(x) + 2*a + b)/(cosh(x)^4 + 4*cosh(x)*sinh(x)^3 + sinh(x)^4 + 2*(3*cosh
(x)^2 - 1)*sinh(x)^2 - 2*cosh(x)^2 + 4*(cosh(x)^3 - cosh(x))*sinh(x) + 1)) + 1/4*sqrt(a + b)*log(-((a + b)*cos
h(x)^4 + 4*(a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a + b)*sinh(x)^4 - 2*b*cosh(x)^2 + 2*(3*(a + b)*cosh(x)^2 - b)*sinh(x)
^2 + sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 - 1)*sqrt(a + b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sin
h(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)) + 4*((a + b)*cosh(x)^3 - b*cosh(x))*sinh(x) + a +
b)/(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)), sqrt(-a)*arctan(sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sin
h(x)^2 + 1)*sqrt(-a)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sin
h(x)^2))/((a + b)*cosh(x)^4 + 4*(a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a + b)*sinh(x)^4 + 2*(a - b)*cosh(x)^2 + 2*(3*(a
+ b)*cosh(x)^2 + a - b)*sinh(x)^2 + 4*((a + b)*cosh(x)^3 + (a - b)*cosh(x))*sinh(x) + a + b)) + 1/4*sqrt(a + b
)*log(((a^3 + a^2*b)*cosh(x)^8 + 8*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)*sinh(x)^7 + (a^3 + a^2*b)*sinh(x)^8 + 2*(2*a^3 + a^2*
b)*cosh(x)^6 + 2*(2*a^3 + a^2*b + 14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^2)*sinh(x)^6 + 4*(14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^3 + 3*(2
*a^3 + a^2*b)*cosh(x))*sinh(x)^5 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x)^4 + (70*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^4 + 6
*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3 + 30*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^2)*sinh(x)^4 + 4*(14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^5 + 10*(2
*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^3 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x))*sinh(x)^3 + a^3 + 3*a^2*b + 3*a*b^2 + b^3 +
2*(2*a^3 + 3*a^2*b - b^3)*cosh(x)^2 + 2*(14*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^6 + 15*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^4 + 2*a^3 +
3*a^2*b - b^3 + 3*(6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x)^2)*sinh(x)^2 + sqrt(2)*(a^2*cosh(x)^6 + 6*a^2*cosh(x
)*sinh(x)^5 + a^2*sinh(x)^6 + 3*a^2*cosh(x)^4 + 3*(5*a^2*cosh(x)^2 + a^2)*sinh(x)^4 + 4*(5*a^2*cosh(x)^3 + 3*a
^2*cosh(x))*sinh(x)^3 + (3*a^2 + 2*a*b - b^2)*cosh(x)^2 + (15*a^2*cosh(x)^4 + 18*a^2*cosh(x)^2 + 3*a^2 + 2*a*b
- b^2)*sinh(x)^2 + a^2 + 2*a*b + b^2 + 2*(3*a^2*cosh(x)^5 + 6*a^2*cosh(x)^3 + (3*a^2 + 2*a*b - b^2)*cosh(x))*
sinh(x))*sqrt(a + b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sin
h(x)^2)) + 4*(2*(a^3 + a^2*b)*cosh(x)^7 + 3*(2*a^3 + a^2*b)*cosh(x)^5 + (6*a^3 + 4*a^2*b - a*b^2 + b^3)*cosh(x
)^3 + (2*a^3 + 3*a^2*b - b^3)*cosh(x))*sinh(x))/(cosh(x)^6 + 6*cosh(x)^5*sinh(x) + 15*cosh(x)^4*sinh(x)^2 + 20
*cosh(x)^3*sinh(x)^3 + 15*cosh(x)^2*sinh(x)^4 + 6*cosh(x)*sinh(x)^5 + sinh(x)^6)) + 1/4*sqrt(a + b)*log(-((a +
b)*cosh(x)^4 + 4*(a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a + b)*sinh(x)^4 - 2*b*cosh(x)^2 + 2*(3*(a + b)*cosh(x)^2 - b)*
sinh(x)^2 + sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 - 1)*sqrt(a + b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a +
b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)) + 4*((a + b)*cosh(x)^3 - b*cosh(x))*sinh(x
) + a + b)/(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)), -1/2*sqrt(-a - b)*arctan(sqrt(2)*(a*cosh(x)^2 + 2*a*c
osh(x)*sinh(x) + a*sinh(x)^2 + a + b)*sqrt(-a - b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(
x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2))/((a^2 + a*b)*cosh(x)^4 + 4*(a^2 + a*b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a^2 + a*b)*
sinh(x)^4 + (2*a^2 + a*b - b^2)*cosh(x)^2 + (6*(a^2 + a*b)*cosh(x)^2 + 2*a^2 + a*b - b^2)*sinh(x)^2 + a^2 + 2*
a*b + b^2 + 2*(2*(a^2 + a*b)*cosh(x)^3 + (2*a^2 + a*b - b^2)*cosh(x))*sinh(x))) - 1/2*sqrt(-a - b)*arctan(sqrt
(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 - 1)*sqrt(-a - b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 +
a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2))/((a + b)*cosh(x)^4 + 4*(a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a + b
)*sinh(x)^4 + 2*(a - b)*cosh(x)^2 + 2*(3*(a + b)*cosh(x)^2 + a - b)*sinh(x)^2 + 4*((a + b)*cosh(x)^3 + (a - b)
*cosh(x))*sinh(x) + a + b)) + 1/2*sqrt(a)*log(-((2*a + b)*cosh(x)^4 + 4*(2*a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (2*a + b
)*sinh(x)^4 + 2*(2*a - b)*cosh(x)^2 + 2*(3*(2*a + b)*cosh(x)^2 + 2*a - b)*sinh(x)^2 - 2*sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2
*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 + 1)*sqrt(a)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*
cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2)) + 4*((2*a + b)*cosh(x)^3 + (2*a - b)*cosh(x))*sinh(x) + 2*a + b)/(cosh(x)^4 + 4*
cosh(x)*sinh(x)^3 + sinh(x)^4 + 2*(3*cosh(x)^2 - 1)*sinh(x)^2 - 2*cosh(x)^2 + 4*(cosh(x)^3 - cosh(x))*sinh(x)
+ 1)), sqrt(-a)*arctan(sqrt(2)*(cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 + 1)*sqrt(-a)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^
2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2))/((a + b)*cosh(x)^4 + 4*(a + b)*cos
h(x)*sinh(x)^3 + (a + b)*sinh(x)^4 + 2*(a - b)*cosh(x)^2 + 2*(3*(a + b)*cosh(x)^2 + a - b)*sinh(x)^2 + 4*((a +
b)*cosh(x)^3 + (a - b)*cosh(x))*sinh(x) + a + b)) - 1/2*sqrt(-a - b)*arctan(sqrt(2)*(a*cosh(x)^2 + 2*a*cosh(x
)*sinh(x) + a*sinh(x)^2 + a + b)*sqrt(-a - b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a - b)/(cosh(x)^2
- 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2))/((a^2 + a*b)*cosh(x)^4 + 4*(a^2 + a*b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a^2 + a*b)*sinh(
x)^4 + (2*a^2 + a*b - b^2)*cosh(x)^2 + (6*(a^2 + a*b)*cosh(x)^2 + 2*a^2 + a*b - b^2)*sinh(x)^2 + a^2 + 2*a*b +
b^2 + 2*(2*(a^2 + a*b)*cosh(x)^3 + (2*a^2 + a*b - b^2)*cosh(x))*sinh(x))) - 1/2*sqrt(-a - b)*arctan(sqrt(2)*(
cosh(x)^2 + 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2 - 1)*sqrt(-a - b)*sqrt(((a + b)*cosh(x)^2 + (a + b)*sinh(x)^2 + a -
b)/(cosh(x)^2 - 2*cosh(x)*sinh(x) + sinh(x)^2))/((a + b)*cosh(x)^4 + 4*(a + b)*cosh(x)*sinh(x)^3 + (a + b)*sin
h(x)^4 + 2*(a - b)*cosh(x)^2 + 2*(3*(a + b)*cosh(x)^2 + a - b)*sinh(x)^2 + 4*((a + b)*cosh(x)^3 + (a - b)*cosh
(x))*sinh(x) + a + b))]

________________________________________________________________________________________

Sympy [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \sqrt{a + b \tanh ^{2}{\left (x \right )}} \coth{\left (x \right )}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(coth(x)*(a+b*tanh(x)**2)**(1/2),x)

[Out]

Integral(sqrt(a + b*tanh(x)**2)*coth(x), x)

________________________________________________________________________________________

Giac [F(-2)]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \text{Exception raised: NotImplementedError} \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(coth(x)*(a+b*tanh(x)^2)^(1/2),x, algorithm="giac")

[Out]

Exception raised: NotImplementedError