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

Optimal. Leaf size=83 \[ \frac{\tan ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}+1\right )^{-p} F_1\left (\frac{3}{2};2,-p;\frac{5}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}\right )}{3 f} \]

[Out]

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

________________________________________________________________________________________

Rubi [A]  time = 0.108184, antiderivative size = 83, 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 = {3663, 511, 510} \[ \frac{\tan ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}+1\right )^{-p} F_1\left (\frac{3}{2};2,-p;\frac{5}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}\right )}{3 f} \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

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

[Out]

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

Rule 3663

Int[sin[(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^(m + 1))/f, Subst[Int[(x^m*(a + b*(ff*x)^n)^p)/(c^2 + ff^2*x^2
)^(m/2 + 1), x], x, (c*Tan[e + f*x])/ff], x]] /; FreeQ[{a, b, c, e, f, n, p}, x] && IntegerQ[m/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 \sin ^2(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \, dx &=\frac{\operatorname{Subst}\left (\int \frac{x^2 \left (a+b x^2\right )^p}{\left (1+x^2\right )^2} \, dx,x,\tan (e+f x)\right )}{f}\\ &=\frac{\left (\left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (1+\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}\right )^{-p}\right ) \operatorname{Subst}\left (\int \frac{x^2 \left (1+\frac{b x^2}{a}\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}\right ) \tan ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (1+\frac{b \tan ^2(e+f x)}{a}\right )^{-p}}{3 f}\\ \end{align*}

Mathematica [C]  time = 19.3409, size = 3698, normalized size = 44.55 \[ \text{Result too large to show} \]

Warning: Unable to verify antiderivative.

[In]

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

[Out]

(3*a*Cos[e + f*x]^3*Sin[e + f*x]*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p*(AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan
[e + f*x]^2)/a)]/(-3*a*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*AppellF1[3
/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2,
-((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^
2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[
3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^
2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2))*(-(Cos[2*(e + f*x)]^3*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/4 + (I/4)*Sin[2*(e +
 f*x)]*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p + (Sin[2*(e + f*x)]^2*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/2 - (I/4)*Sin[2*(e + f*x)]^3*(
a + b*Tan[e + f*x]^2)^p + Cos[2*(e + f*x)]^2*((a + b*Tan[e + f*x]^2)^p/2 - (I/4)*Sin[2*(e + f*x)]*(a + b*Tan[e
 + f*x]^2)^p) + Cos[2*(e + f*x)]*(-(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p/4 - (Sin[2*(e + f*x)]^2*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/
4)))/(f*(6*a*b*p*Sin[e + f*x]^2*(a + b*Tan[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)]/(-3*a*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*Appe
llF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*
x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e +
 f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*App
ellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e +
 f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)) + 3*a*Cos[e + f*x]^4*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p*(AppellF1[1/2, 2
, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]/(-3*a*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan
[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF
1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((
b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a),
 -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1
[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)) - 9*a*Cos[e + f*x]^2*Sin[e + f*x
]^2*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p*(AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]/(-3*a*Appell
F1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f
*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan
[e + f*x]^2) + (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2)/(3*a*Appel
lF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[
e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[
e + f*x]^2)) + 3*a*Cos[e + f*x]^3*Sin[e + f*x]*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p*(((2*b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2,
-Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*a) - (4*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -T
an[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/3)/(-3*a*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e
 + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2
)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan[e + f*x]^2) + (2*AppellF1
[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*a*AppellF1[1/2, -p
, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)
/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)
 + (Sec[e + f*x]^2*((2*b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]
^2*Tan[e + f*x])/(3*a) - (2*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2
*Tan[e + f*x])/3))/(3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF1[
3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^
2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2) - (AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)
]*(-4*(b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5
/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x] - 3*a*((2*b*p*AppellF1[3/2, 2, 1 -
p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*a) - (4*AppellF1[3/2, 3, -p,
 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*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, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(
5*a) - (12*AppellF1[5/2, 3, 1 - p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])
/5) - 2*a*((6*b*p*AppellF1[5/2, 3, 1 - p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e
+ f*x])/(5*a) - (18*AppellF1[5/2, 4, -p, 7/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e +
 f*x])/5))))/(-3*a*AppellF1[1/2, 2, -p, 3/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*(b*p*AppellF1[3/2,
2, 1 - p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)] - 2*a*AppellF1[3/2, 3, -p, 5/2, -Tan[e + f*x]^2, -((b
*Tan[e + f*x]^2)/a)])*Tan[e + f*x]^2)^2 - (AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -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), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/
2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x] + 3*a*((2*b*p*AppellF1[3
/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/(3*a) - (2*AppellF1[
3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -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), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/
5 - (6*b*(1 - p)*AppellF1[5/2, 2 - p, 1, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e +
 f*x])/(5*a)) - a*((6*b*p*AppellF1[5/2, 1 - p, 2, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^
2*Tan[e + f*x])/(5*a) - (12*AppellF1[5/2, -p, 3, 7/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2
*Tan[e + f*x])/5))))/(3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] + 2*(b*p*AppellF
1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*AppellF1[3/2, -p, 2, 5/2, -((b*Tan[e + f*x
]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)^2)))

________________________________________________________________________________________

Maple [F]  time = 0.734, size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int \left ( \sin \left ( fx+e \right ) \right ) ^{2} \left ( a+b \left ( \tan \left ( fx+e \right ) \right ) ^{2} \right ) ^{p}\, dx \end{align*}

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

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

[Out]

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

________________________________________________________________________________________

Maxima [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (b \tan \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(sin(f*x+e)^2*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x, algorithm="maxima")

[Out]

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

[Out]

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

[Out]

Timed out

________________________________________________________________________________________

Giac [F]  time = 0., size = 0, normalized size = 0. \begin{align*} \int{\left (b \tan \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(sin(f*x+e)^2*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x, algorithm="giac")

[Out]

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