Question Number 138521 by mnjuly1970 last updated on 14/Apr/21
$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:…….{Advanced}\:…\:…\:…\:{calculus}…….. \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\Omega=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} {e}^{{x}} }{\left(\mathrm{1}+{e}^{{x}} \right)^{\mathrm{3}} }\:{dx}\:=? \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:…..\ast\ast\ast\ast\ast\ast\ast\ast….. \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 14/Apr/21
$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{e}^{{x}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {e}^{−{nx}} \\ $$$$\frac{{e}^{{x}} }{\left(\mathrm{1}+{e}^{{x}} \right)^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {ne}^{−{nx}} \\ $$$$\frac{{e}^{{x}} }{\left(\mathrm{1}+{e}^{{x}} \right)^{\mathrm{3}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right){e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right){x}} }{\mathrm{1}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} {e}^{{x}} }{\left(\mathrm{1}+{e}^{{x}} \right)^{\mathrm{3}} }{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{\infty} {n}\left({n}+\mathrm{1}\right){e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right){x}} {x}^{\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {n}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}−{log}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 14/Apr/21
$$\Phi=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{e}^{\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{dx}\:\Rightarrow\Phi=_{\mathrm{e}^{\mathrm{x}} =\mathrm{t}} \:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}\:.\mathrm{t}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}\right)^{\mathrm{3}} }\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}} \\ $$$$=\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}\right)^{\mathrm{3}} }\:=_{\mathrm{t}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}}} \:\:\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}}\right)^{\mathrm{3}} }\left(−\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{3}} }.\mathrm{u}^{\mathrm{3}} \:\mathrm{du}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{uln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{du} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}−\mathrm{1}\right)\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{du}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{du}−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{du}\:\:\mathrm{by}\:\mathrm{parts} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{du}\:=\left[\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}}\right)\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}\:} \left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}}\right)\frac{\mathrm{2lnu}}{\mathrm{u}}\mathrm{du} \\ $$$$=−\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{lnu}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}}\mathrm{du}\:=−\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{lnu}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \mathrm{u}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{du} \\ $$$$=−\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{u}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{lnu}\:\mathrm{du} \\ $$$$\mathrm{U}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{u}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{lnu}\:\mathrm{du}\:=\left[\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{n}+\mathrm{1}}\mathrm{lnu}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}+\mathrm{1}}\mathrm{du} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{u}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{du}\:=\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }\:=−\mathrm{2}\left(\mathrm{2}^{\mathrm{1}−\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\xi\left(\mathrm{2}\right)\:=−\mathrm{2}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right).\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{dx}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{−\mathrm{3}} \mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\:\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{by}\:\mathrm{parts}\:\:\mathrm{f}^{'} \:=\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{−\mathrm{3}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{g}=\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}=\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{−\mathrm{2}} \:\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{3}} }\mathrm{dx}=\left\{\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$$$−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\frac{\mathrm{2logx}}{\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\frac{\mathrm{logx}}{\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}+\mathrm{2x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\frac{\mathrm{logx}}{\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\left(\mathrm{x}+\mathrm{2}\right)\mathrm{logx}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}….\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$$$ \\ $$