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Question Number 226799 by CrispyXYZ last updated on 15/Dec/25 | ||
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$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+{x}}\:\mathrm{d}{x}\:=\:? \\ $$ | ||
Answered by breniam last updated on 17/Dec/25 | ||
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$$\mathrm{2}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{y}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{1}}×\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} {y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{x}\mathrm{d}{y}= \\ $$$$\mathrm{2}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\left[\frac{\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{1}}+\frac{{x}−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} {y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right]\mathrm{d}{x}\mathrm{d}{y}=\mathrm{2}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\left[\mathrm{ln}\mid{x}+\mathrm{1}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{y}^{\mathrm{2}} }\mathrm{ln}\mid{x}^{\mathrm{2}} {y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\mid−\frac{\mathrm{1}}{{y}}\mathrm{arctan}\left({xy}\right)\right]_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} ^{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \mathrm{d}{y}= \\ $$$$=\mathrm{2}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\left(\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{y}^{\mathrm{2}} }\mathrm{ln}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{1}}{{y}}\mathrm{arctan}\left({y}\right)\right)\mathrm{d}{y}= \\ $$$$\mathrm{2ln}\left(\mathrm{2}\right)\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}+\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{{y}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{ln}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\mathrm{d}{y}−\mathrm{2}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{arctan}\left({y}\right)}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{{y}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{ln}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\mathrm{d}{y}=\left\{\overset{−} {{y}}={y}^{\mathrm{2}} \right\}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{ln}\left({y}+\mathrm{1}\right)}{{y}\left({y}+\mathrm{1}\right)}\mathrm{d}{y}= \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{ln}\left({y}+\mathrm{1}\right)}{{y}}\mathrm{d}{y}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{ln}\left({y}+\mathrm{1}\right)}{{y}+\mathrm{1}}\mathrm{d}{y} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{ln}\left({y}+\mathrm{1}\right)}{{y}+\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{ln}\left({y}+\mathrm{1}\right)}{{y}}\mathrm{d}{y}\overset{\mathrm{McLaurinSeries}} {=}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{{y}}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}×\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} {y}^{{n}} \mathrm{d}{y}\overset{\mathrm{Lebesgue}\:\mathrm{dominated}\:\mathrm{convergence}\:\mathrm{theorem}} {=} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}×\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{y}^{{n}−\mathrm{1}} \mathrm{d}{y}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{2}} }= \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }−\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{2}} }−\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }= \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\zeta\left(\mathrm{2}\right)=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{arctan}\left({y}\right)}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{32}} \\ $$$$\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{y}}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{1}}{{y}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{ln}\left({y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\mathrm{d}{y}−\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{\mathrm{arctan}\left({y}\right)}{{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{d}{y}= \\ $$$$\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{4}}+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}=\frac{\mathrm{3ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{4}}−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$ | ||
Commented by breniam last updated on 17/Dec/25 | ||
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$$\mathrm{Therebly}\:\mathrm{sorry}.\:\mathrm{I}\:\mathrm{started}\:\mathrm{to}\:\mathrm{fix}\:\mathrm{my}\:\mathrm{solution}, \\ $$$$\mathrm{but}\:\mathrm{concluding}\:\mathrm{from}\:\mathrm{another}\:\mathrm{comment},\:\mathrm{still}\:\mathrm{something}\:\mathrm{wrong}. \\ $$$$\mathrm{Working}\:\mathrm{on}\:\mathrm{making}\:\mathrm{it}\:\mathrm{fine}. \\ $$ | ||
Answered by Tawa11 last updated on 16/Dec/25 | ||
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