3.372 \(\int \cot ^4(e+f x) (a+b \tan ^2(e+f x))^p \, dx\)

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

[Out]

-1/3*AppellF1(-3/2,1,-p,-1/2,-tan(f*x+e)^2,-b*tan(f*x+e)^2/a)*cot(f*x+e)^3*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p/f/((1+b*tan(f*
x+e)^2/a)^p)

________________________________________________________________________________________

Rubi [A]  time = 0.10, antiderivative size = 83, normalized size of antiderivative = 1.00, number of steps used = 3, number of rules used = 3, integrand size = 23, \(\frac {\text {number of rules}}{\text {integrand size}}\) = 0.130, Rules used = {3670, 511, 510} \[ -\frac {\cot ^3(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \left (\frac {b \tan ^2(e+f x)}{a}+1\right )^{-p} F_1\left (-\frac {3}{2};1,-p;-\frac {1}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac {b \tan ^2(e+f x)}{a}\right )}{3 f} \]

Antiderivative was successfully verified.

[In]

Int[Cot[e + f*x]^4*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p,x]

[Out]

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

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])

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 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]))

Rubi steps

\begin {align*} \int \cot ^4(e+f x) \left (a+b \tan ^2(e+f x)\right )^p \, dx &=\frac {\operatorname {Subst}\left (\int \frac {\left (a+b x^2\right )^p}{x^4 \left (1+x^2\right )} \, 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 {\left (1+\frac {b x^2}{a}\right )^p}{x^4 \left (1+x^2\right )} \, dx,x,\tan (e+f x)\right )}{f}\\ &=-\frac {F_1\left (-\frac {3}{2};1,-p;-\frac {1}{2};-\tan ^2(e+f x),-\frac {b \tan ^2(e+f x)}{a}\right ) \cot ^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 [B]  time = 6.87, size = 1887, normalized size = 22.73 \[ \text {result too large to display} \]

Warning: Unable to verify antiderivative.

[In]

Integrate[Cot[e + f*x]^4*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p,x]

[Out]

(2*Cot[e + f*x]*Hypergeometric2F1[-1/2, -p, 1/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/(f*(1 + (b
*Tan[e + f*x]^2)/a)^p) + (Cot[e + f*x]^3*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p*(-a - b*Tan[e + f*x]^2 - ((3*a + b*(-1 + 2*p
))*Hypergeometric2F1[-1/2, -p, 1/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a)]*Tan[e + f*x]^2)/(1 + (b*Tan[e + f*x]^2)/a)^p))/(3
*a*f) + (3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Cos[e + f*x]*Sin[e + f*x]*(a
+ b*Tan[e + f*x]^2)^(2*p))/(f*(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*Ta
n[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2])*Tan[e + f*x]^2)*((6*a*b*p*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a
), -Tan[e + f*x]^2]*Tan[e + f*x]^2*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^(-1 + p))/(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) + (3*a*AppellF1[1/2,
 -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Cos[e + f*x]^2*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/(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) - (3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sin[e + f*x]^2*(a + b*Tan[e
 + f*x]^2)^p)/(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) + (3*a*Cos[e + f*x]*Sin[e + f*x]*((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*T
an[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Sec[e + f*x]^2*Tan[e + f*x])/3)*(a + b*Tan[e + f*x]^2)^p)/(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) - (3*a*AppellF1[1/2, -p, 1, 3/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2]*Cos[e + f*x]*Sin[e + f*x]*(a
+ b*Tan[e + f*x]^2)^p*(4*(b*p*AppellF1[3/2, 1 - p, 1, 5/2, -((b*Tan[e + f*x]^2)/a), -Tan[e + f*x]^2] - a*Appel
lF1[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*Appe
llF1[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*App
ellF1[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*T
an[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*A
ppellF1[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))

________________________________________________________________________________________

fricas [F]  time = 0.67, size = 0, normalized size = 0.00 \[ {\rm integral}\left ({\left (b \tan \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p} \cot \left (f x + e\right )^{4}, x\right ) \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cot(f*x+e)^4*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x, algorithm="fricas")

[Out]

integral((b*tan(f*x + e)^2 + a)^p*cot(f*x + e)^4, x)

________________________________________________________________________________________

giac [F]  time = 0.00, size = 0, normalized size = 0.00 \[ \int {\left (b \tan \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p} \cot \left (f x + e\right )^{4}\,{d x} \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cot(f*x+e)^4*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x, algorithm="giac")

[Out]

integrate((b*tan(f*x + e)^2 + a)^p*cot(f*x + e)^4, x)

________________________________________________________________________________________

maple [F]  time = 1.06, size = 0, normalized size = 0.00 \[ \int \left (\cot ^{4}\left (f x +e \right )\right ) \left (a +b \left (\tan ^{2}\left (f x +e \right )\right )\right )^{p}\, dx \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

int(cot(f*x+e)^4*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x)

[Out]

int(cot(f*x+e)^4*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x)

________________________________________________________________________________________

maxima [F]  time = 0.00, size = 0, normalized size = 0.00 \[ \int {\left (b \tan \left (f x + e\right )^{2} + a\right )}^{p} \cot \left (f x + e\right )^{4}\,{d x} \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cot(f*x+e)^4*(a+b*tan(f*x+e)^2)^p,x, algorithm="maxima")

[Out]

integrate((b*tan(f*x + e)^2 + a)^p*cot(f*x + e)^4, x)

________________________________________________________________________________________

mupad [F]  time = 0.00, size = -1, normalized size = -0.01 \[ \int {\mathrm {cot}\left (e+f\,x\right )}^4\,{\left (b\,{\mathrm {tan}\left (e+f\,x\right )}^2+a\right )}^p \,d x \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

int(cot(e + f*x)^4*(a + b*tan(e + f*x)^2)^p,x)

[Out]

int(cot(e + f*x)^4*(a + b*tan(e + f*x)^2)^p, x)

________________________________________________________________________________________

sympy [F(-1)]  time = 0.00, size = 0, normalized size = 0.00 \[ \text {Timed out} \]

Verification of antiderivative is not currently implemented for this CAS.

[In]

integrate(cot(f*x+e)**4*(a+b*tan(f*x+e)**2)**p,x)

[Out]

Timed out

________________________________________________________________________________________