Question Number 140715 by mnjuly1970 last updated on 11/May/21
$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:……{advanced}\:\:{calculus}…… \\ $$$$\:\:\:\:\:\:{prove}\:{that}: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\boldsymbol{\phi}:=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{cosh}^{\mathrm{2}} \left({x}^{\mathrm{2}} \right)}{dx}\overset{?} {=}\frac{\sqrt{\mathrm{2}}\:β\mathrm{2}}{\mathrm{4}}\:\sqrt{\pi}\:\zeta\:\left(\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\right)\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:………….. \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 11/May/21
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{cosh}^{\mathrm{2}} \left({x}^{\mathrm{2}} \right)}{dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\sqrt{{u}}}{{cosh}^{\mathrm{2}} \left({u}\right)}{du} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\sqrt{{u}}}{\mathrm{1}+{cosh}\left(\mathrm{2}{u}\right)}=\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{e}^{β\mathrm{2}{u}} \sqrt{{u}}}{\left(\mathrm{1}+{e}^{β\mathrm{2}{u}} \right)^{\mathrm{2}} }{du} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {e}^{β\mathrm{2}{nu}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{e}^{β\mathrm{2}{u}} }\Rightarrow\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {ne}^{β\mathrm{2}{nu}} =\frac{β{e}^{\mathrm{2}{u}} }{\left(\mathrm{1}+{e}^{β\mathrm{2}{u}} \right)^{\mathrm{2}} }\:\: \\ $$$$=β\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \sqrt{{u}}\:{ne}^{β\mathrm{2}{nu}} {du}=\mathrm{2}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}} {n}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \sqrt{{u}}\:{e}^{β\mathrm{2}{nu}} {du} \\ $$$$\mathrm{2}{nu}={t}\:\:\Rightarrow\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\sqrt{{t}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}{n}}}{e}^{β{t}} {dt}=β\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\sqrt{\pi}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\sqrt{{n}}}\left(β\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$=β\sqrt{\frac{\pi}{\mathrm{2}}}\:\zeta\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\left(\mathrm{1}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}β\mathrm{1}} }\right)=\sqrt{\frac{\pi}{\mathrm{2}}}\:\left(\sqrt{\mathrm{2}}β\mathrm{1}\right)\zeta\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$ \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 12/May/21
$${grateful}\:…. \\ $$