Question Number 73178 by mathmax by abdo last updated on 07/Nov/19
$${calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$
Answered by mind is power last updated on 07/Nov/19
$$=\int_{\infty} ^{\mathrm{0}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right)}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}}+\mathrm{1}}.−\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}−\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\Rightarrow=\mathrm{0} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:\:\mathrm{t}\geqslant\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{dx}}{\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}\: \\ $$$$\mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ax}+\mathrm{b}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{cx}+\mathrm{d}}{\mathrm{1}−\mathrm{x}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{b}+\mathrm{d}=\mathrm{0} \\ $$$$\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{t}}+\mathrm{c}=\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{a}+\mathrm{tc}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{a}−\mathrm{b}+\mathrm{c}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{dt}−\mathrm{a}+\mathrm{b}=\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{b}=−\mathrm{d} \\ $$$$\mathrm{a}=−\mathrm{tc} \\ $$$$−\mathrm{tc}+\mathrm{d}+\mathrm{c}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{dt}+\mathrm{tc}−\mathrm{d}=\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{d}=\mathrm{c}\left(\mathrm{t}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$\mathrm{c}\left(\mathrm{t}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{tc}=\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{c}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}},\mathrm{d}=\frac{\mathrm{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}},\mathrm{a}=\frac{−\mathrm{t}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}},\mathrm{b}=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{t}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{−\mathrm{tx}+\left(\mathrm{1}−\mathrm{t}\right)}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{x}+\mathrm{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{−\mathrm{tx}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}−\mathrm{t}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\mathrm{dx} \\ $$$$+\frac{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\underset{\mathrm{y}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{y}} =−\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{t}}}.\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}=\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}.\left\{\frac{\pi}{\mathrm{2}}+\frac{\pi}{\mathrm{6}}\right\}=\frac{\mathrm{4}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)=\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{1}−\mathrm{t}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}.\frac{\pi}{\mathrm{2}}\sqrt{\mathrm{t}}+\frac{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}.\frac{\mathrm{4}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{our}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{is}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{2}\right),\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\mathrm{dx}=\mathrm{f}\left(\mathrm{2}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \mathrm{f}'\left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}+\frac{\pi}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{t}\right)\sqrt{\mathrm{t}}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}+\frac{\mathrm{4}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{2t}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{only}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:\mathrm{is}\:\mathrm{tricky} \\ $$$$\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}=\left(\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\left(\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}=\frac{−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}+\frac{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}=−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\mathrm{dt}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}=\mathrm{c} \\ $$$$\mathrm{j}=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}},\mathrm{f}=\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{c}=\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{ft}}\mathrm{dt}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{jt}}\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{u}=\mathrm{ft}\:\mathrm{in}\:\mathrm{firt}\:,\mathrm{jt}=\mathrm{s}\:\mathrm{in}\:\mathrm{2nd} \\ $$$$\mathrm{c}=\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{j}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2f}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{u}\right)+\mathrm{ln}\left(\mathrm{j}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{u}}\mathrm{du}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{f}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2j}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{s}\right)+\mathrm{ln}\left(\mathrm{f}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{s}}\mathrm{ds} \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{1}−\mathrm{z}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{t}}\mathrm{dt}=\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}\right) \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2f}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{u}\right)+\mathrm{ln}\left(\mathrm{j}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{u}}\mathrm{du}=\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{2f}\right)−\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}\right)−\mathrm{log}\left(\mathrm{j}\right)\mathrm{log}\left(\mathrm{1}−\mathrm{2f}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2j}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{s}\right)+\mathrm{ln}\left(\mathrm{f}\right)}{\mathrm{1}−\mathrm{s}}=\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{2j}\right)−\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}\right)−\mathrm{log}\left(\mathrm{f}\right)\mathrm{log}\left(\mathrm{1}−\mathrm{2j}\right) \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}=\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\left\{\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)−\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}\right)+\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\mathrm{Log}\left(−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right\}\right. \\ $$$$−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\left(\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\left\{\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)−\mathrm{Li}_{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\mathrm{log}\left(\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\right)\right\} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 07/Nov/19
$${thankx}\:{sir}. \\ $$
Commented by mind is power last updated on 07/Nov/19
$$\mathrm{y}'\mathrm{re}\:\mathrm{welcom}\:\mathrm{sir} \\ $$
Commented by aliesam last updated on 15/Dec/19
$${I}\:{didn}'{t}\:{get}\:{the}\:{first}\:{step}\:{where}\:{you}\:{factor}\:−\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${i}\:{mean}\:{the}\:{ln}\:{part} \\ $$$$ \\ $$
Commented by aliesam last updated on 15/Dec/19
$${I}\:{mean} \\ $$$$ \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}=\int_{\infty} ^{\mathrm{0}} \frac{{ln}\left(\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)}{\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{{x}}+\mathrm{1}}\:.\:\frac{−{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:\:??\: \\ $$$$ \\ $$