Answer: Integral of sqrt(tan x)
Key Idea / Intuition
The trick is to use the self-complementary symmetry of the integrand: if you substitute x โฆ ฯ / 2 โ x x \mapsto \pi/2 - x x โฆ ฯ /2 โ x , then tan โก x โฆ cot โก x = 1 / tan โก x \tan x \mapsto \cot x = 1/\tan x tan x โฆ cot x = 1/ tan x , so tan โก x โฆ 1 / tan โก x \sqrt{\tan x} \mapsto 1/\sqrt{\tan x} tan x โ โฆ 1/ tan x โ . Adding I I I to its reflected version gives something much simpler to integrate. Then a substitution t = tan โก x t = \sqrt{\tan x} t = tan x โ reduces the sum to a classic rational integral that can be handled by partial fractions, yielding a clean ฯ / 2 \pi/\sqrt{2} ฯ / 2 โ answer.
Formal Proof / Solution
Step 1: Symmetry observation.
Let I = โซ 0 ฯ / 2 tan โก x โ d x I = \int_0^{\pi/2} \sqrt{\tan x}\, dx I = โซ 0 ฯ /2 โ tan x โ d x . Under x โฆ ฯ / 2 โ x x \mapsto \pi/2 - x x โฆ ฯ /2 โ x :
I = โซ 0 ฯ / 2 cot โก x โ d x = โซ 0 ฯ / 2 1 tan โก x โ d x I = \int_0^{\pi/2} \sqrt{\cot x}\, dx = \int_0^{\pi/2} \frac{1}{\sqrt{\tan x}}\, dx I = โซ 0 ฯ /2 โ cot x โ d x = โซ 0 ฯ /2 โ t a n x โ 1 โ d x
So:
2 I = โซ 0 ฯ / 2 ( tan โก x + 1 tan โก x ) d x = โซ 0 ฯ / 2 tan โก x + 1 tan โก x โ d x 2I = \int_0^{\pi/2} \left(\sqrt{\tan x} + \frac{1}{\sqrt{\tan x}}\right) dx = \int_0^{\pi/2} \frac{\tan x + 1}{\sqrt{\tan x}}\, dx 2 I = โซ 0 ฯ /2 โ ( tan x โ + t a n x โ 1 โ ) d x = โซ 0 ฯ /2 โ t a n x โ t a n x + 1 โ d x
Step 2: Substitution t = tan โก x t = \sqrt{\tan x} t = tan x โ .
Let t = tan โก x t = \sqrt{\tan x} t = tan x โ , so tan โก x = t 2 \tan x = t^2 tan x = t 2 , x = arctan โก ( t 2 ) x = \arctan(t^2) x = arctan ( t 2 ) , and:
d x = 2 t 1 + t 4 โ d t dx = \frac{2t}{1 + t^4}\, dt d x = 1 + t 4 2 t โ d t
When x = 0 x = 0 x = 0 , t = 0 t = 0 t = 0 ; when x = ฯ / 2 x = \pi/2 x = ฯ /2 , t = โ t = \infty t = โ . Then:
2 I = โซ 0 โ t 2 + 1 t โ
2 t 1 + t 4 โ d t = 2 โซ 0 โ t 2 + 1 t 4 + 1 โ d t 2I = \int_0^{\infty} \frac{t^2 + 1}{t} \cdot \frac{2t}{1+t^4}\, dt = 2\int_0^{\infty} \frac{t^2+1}{t^4+1}\, dt 2 I = โซ 0 โ โ t t 2 + 1 โ โ
1 + t 4 2 t โ d t = 2 โซ 0 โ โ t 4 + 1 t 2 + 1 โ d t
So:
I = โซ 0 โ t 2 + 1 t 4 + 1 โ d t I = \int_0^{\infty} \frac{t^2 + 1}{t^4 + 1}\, dt I = โซ 0 โ โ t 4 + 1 t 2 + 1 โ d t
Step 3: Evaluate the rational integral.
Divide numerator and denominator by t 2 t^2 t 2 :
I = โซ 0 โ 1 + 1 / t 2 t 2 + 1 / t 2 โ d t I = \int_0^{\infty} \frac{1 + 1/t^2}{t^2 + 1/t^2}\, dt I = โซ 0 โ โ t 2 + 1/ t 2 1 + 1/ t 2 โ d t
Notice that t 2 + 1 / t 2 = ( t โ 1 / t ) 2 + 2 t^2 + 1/t^2 = (t - 1/t)^2 + 2 t 2 + 1/ t 2 = ( t โ 1/ t ) 2 + 2 . Let u = t โ 1 / t u = t - 1/t u = t โ 1/ t , so d u = ( 1 + 1 / t 2 ) โ d t du = (1 + 1/t^2)\, dt d u = ( 1 + 1/ t 2 ) d t .
As t : 0 โ โ t: 0 \to \infty t : 0 โ โ , we have u : โ โ โ โ u: -\infty \to \infty u : โ โ โ โ . Therefore:
I = โซ โ โ โ d u u 2 + 2 = 1 2 arctan โก โโฃ ( u 2 ) โฃ โ โ โ = 1 2 โ
ฯ I = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{du}{u^2 + 2} = \frac{1}{\sqrt{2}}\arctan\!\left(\frac{u}{\sqrt{2}}\right)\Bigg|_{-\infty}^{\infty} = \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \pi I = โซ โ โ โ โ u 2 + 2 d u โ = 2 โ 1 โ arctan ( 2 โ u โ ) โ โ โ โ โ = 2 โ 1 โ โ
ฯ
Result:
I = ฯ 2 \boxed{I = \dfrac{\pi}{\sqrt{2}}} I = 2 โ ฯ โ โ
Why it's beautiful: Three elegant ideas click together โ the reflection symmetry that pairs tan โก x \sqrt{\tan x} tan x โ with 1 / tan โก x 1/\sqrt{\tan x} 1/ tan x โ , the substitution that rationalizes the integral, and the classic "t โ 1 / t t - 1/t t โ 1/ t " trick that collapses a quartic into a quadratic.