Question Number 130053 by Lordose last updated on 22/Jan/21 | ||
$$\mathrm{Show}\:\mathrm{that} \\ $$$$\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$ | ||
Answered by Ar Brandon last updated on 22/Jan/21 | ||
$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{ax}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{f}\:'\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:,\:\mathrm{x}^{\mathrm{2}} =\mathrm{u} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{u}+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{du}}{\left(\mathrm{u}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{2u}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} =\frac{\mathrm{1}}{\:\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\left[\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\pi}{\mathrm{6}}\right]=\frac{\pi}{\:\mathrm{6}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{6}\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{a}+\mathcal{C}... \\ $$ | ||
Answered by mathmax by abdo last updated on 22/Jan/21 | ||
$$\mathrm{let}\:\mathrm{try}\:\mathrm{this}\:\mathrm{way}\:\:\Phi=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\Rightarrow \\ $$$$\Phi=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\left(\rightarrow\mathrm{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{−\mathrm{lnt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\:+\mathrm{1}\right)}\left(−\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{lnt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}−\mathrm{lnx}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{lnx}}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{6}} }\mathrm{dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{lnx}}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{6}} }\mathrm{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{6}} }\mathrm{dx}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\mathrm{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{x}^{\mathrm{6n}} \\ $$$$=−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{6n}+\mathrm{4}} \mathrm{dx}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{6n}+\mathrm{2}} \mathrm{dx}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{6n}} \mathrm{dx} \\ $$$$=−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6n}+\mathrm{5}}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6n}+\mathrm{3}}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6n}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{rest}\:\mathrm{calculus}\:\mathrm{of}\:\mathrm{those}\:\mathrm{series}\:...\mathrm{be}\:\mathrm{continued}... \\ $$ | ||
Answered by mnjuly1970 last updated on 22/Jan/21 | ||
$$\:\:\phi=\int_{\mathrm{0}\:} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{x}^{\mathrm{2}} {ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{4}} }{dx}+\left[\int_{\mathrm{1}} ^{\:\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} {ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{4}} }{dx}\:=\Phi\right] \\ $$$$\Phi=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\:\mathrm{1}} \frac{−{ln}\left({x}\right)\:\:}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{4}} }{dx} \\ $$$$\emptyset=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right){ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{4}} }{dx}=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{−\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{6}} }{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left({x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right){ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{6}} } \\ $$$$\overset{{x}^{\mathrm{6}} ={t}} {=}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left({t}^{\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}} −\mathrm{2}{t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}} +\mathrm{1}\right){t}^{\frac{−\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} {ln}\left({t}\right)}{\mathrm{1}−{t}}{dt} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{36}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}\left(\right.} \frac{\left.{t}^{\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{6}}} −\mathrm{2}{t}^{\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} +{t}^{\frac{−\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} \right){ln}\left({t}\right)}{\mathrm{1}−{t}}{dt}\: \\ $$$${f}\left({a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{t}^{{a}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}} −\mathrm{2}{t}^{{a}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} +{t}^{{a}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} }{\mathrm{1}−{t}}{dt} \\ $$$$\:\phi=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{36}}{f}\:'\left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\:{f}\left({a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{t}^{{a}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}} −\mathrm{1}+\mathrm{1}−{t}^{{a}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} −\mathrm{1}+{t}^{{a}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} −{t}^{{a}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} +\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}{dt} \\ $$$$=−\psi\left({a}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)+\mathrm{2}\psi\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)−\psi\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right) \\ $$$$=−\psi\left({a}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)−\psi\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)+\mathrm{2}\psi\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$${f}\:'\left({a}\right)=−\psi'\left({a}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)−\psi'\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)+\mathrm{2}\psi'\left({a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$${f}\:'\left(\mathrm{0}\right)=−\psi'\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)−\psi'\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)+\mathrm{2}\psi'\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{{sin}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\pi}{\mathrm{6}}\right)}+\mathrm{2}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}=−\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\phi=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:.....\checkmark\checkmark\:\:{m}.{n}.{july}.\mathrm{1970} \\ $$$$ \\ $$ | ||
Answered by Lordose last updated on 22/Jan/21 | ||
$$ \\ $$$$\boldsymbol{\Omega}\:=\:\underset{\boldsymbol{\epsilon}\rightarrow\mathrm{0}} {\mathrm{lim}}\int_{\boldsymbol{\epsilon}} ^{\:\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:=\:\left(\int_{\mathrm{1}} ^{\:\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:+\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\right) \\ $$$$\Omega\:=\:\Phi\:+\:\Psi \\ $$$$\Psi\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\overset{\mathrm{u}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}}} {=}\int_{\mathrm{1}} ^{\:\mathrm{0}} \:−\frac{−\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{u}\right)}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}^{\mathrm{4}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)}\mathrm{du}\:=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{u}\right)}{\mathrm{u}^{\mathrm{4}} +\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{du} \\ $$$$\Omega\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{6}} }\mathrm{dx}\:=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{6}} }\mathrm{dx} \\ $$$$\Omega\:\overset{\mathrm{t}=\mathrm{x}^{\mathrm{6}} } {=}−\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left(\mathrm{t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{t}}\:\frac{\mathrm{t}^{−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} \mathrm{dt}}{\mathrm{6}}\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{36}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{t}^{\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} −\mathrm{2t}^{\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} +\mathrm{t}^{−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} \right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{t}}\mathrm{dt} \\ $$$$\Omega\left(\mathrm{n}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\left(\mathrm{t}^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}+\mathrm{n}} −\mathrm{2t}^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\mathrm{n}} +\mathrm{t}^{−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}+\mathrm{n}} \right)}{\mathrm{1}−\mathrm{t}}\mathrm{dt} \\ $$$$\Omega\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{36}}\Omega^{'} \left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\Omega\left(\mathrm{n}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}} −\mathrm{2t}^{\mathrm{n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} +\mathrm{t}^{\mathrm{n}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}} }{\mathrm{1}−\mathrm{t}}{dt} \\ $$$$\Omega\left(\mathrm{n}\right)\:=\:−\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)} \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)\:−\:\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)} \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)\:+\:\mathrm{2}\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)} \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\Omega'\left(\mathrm{n}\right)\:=\:−\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)^{'} } \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)\:−\:\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)^{'} } \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)\:+\:\mathrm{2}\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)'} \left(\mathrm{n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\Omega'\left(\mathrm{0}\right)\:=\:−\left(\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)'} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\right)\:+\:\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)'} \left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{6}}\right)\right)\:+\:\mathrm{2}\boldsymbol{\psi}^{\left(\mathrm{0}\right)'} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\Omega'\left(\mathrm{0}\right)\:=\:−\left(\pi^{\mathrm{2}} \mathrm{csc}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\pi}{\mathrm{6}}\right)\right)+\mathrm{2}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}=−\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Omega\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{36}}\Omega'\left(\mathrm{0}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{36}}\centerdot\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} \:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$$\bigstar\boldsymbol{\mathrm{L}\phi\mathrm{rD}}\:\boldsymbol{\varnothing\mathrm{sE}} \\ $$ | ||