Question Number 143546 by mathmax by abdo last updated on 15/Jun/21
$$\mathrm{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{8}+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 16/Jun/21
$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\mathrm{a}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dx}\:\Rightarrow\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)=−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} \mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \right)^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{dx}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \right)=−\mathrm{4}\:\left(\mathrm{2}\right)^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{8}+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=−\mathrm{2}^{\mathrm{2}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{8}+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx} \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\left(\mathrm{8}+\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}} }\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \right) \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=_{\mathrm{x}=\mathrm{at}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{at}\right)}{\mathrm{a}^{\mathrm{4}} \left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} \right)}\mathrm{adt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{a}\:+\mathrm{2logalogt}\:+\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{a}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\:+\frac{\mathrm{2loga}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{logt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{t}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }=_{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} =\mathrm{y}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+\mathrm{y}}\mathrm{dy}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\pi}{\mathrm{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)}=\frac{\pi}{\mathrm{4}×\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{logt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt}\:=_{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} \:=\mathrm{y}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{logy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{1}} \:\mathrm{dy} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{16}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{1}} \:\mathrm{logy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}}\mathrm{dy}\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{16}}\mathrm{w}^{'} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right)\:\mathrm{with} \\ $$$$\mathrm{w}\left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{y}^{\lambda−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+\mathrm{y}}\mathrm{dy}\:\Rightarrow\mathrm{w}^{'} \left(\lambda\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{y}^{\lambda−\mathrm{1}} \:\mathrm{logy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}}\mathrm{dy} \\ $$$$\mathrm{w}\left(\lambda\right)=\frac{\pi}{\mathrm{sin}\left(\pi\lambda\right)}\:\Rightarrow\mathrm{w}^{'} \left(\lambda\right)=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}\left(\pi\lambda\right)}{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\pi\lambda\right)}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{w}^{'} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right)=−\pi^{\mathrm{2}} \:×\frac{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}}{\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} }=−\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} .\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}=−\pi^{\mathrm{2}} \sqrt{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{logt}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt}\:=−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{16}}\pi^{\mathrm{2}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt}\:=_{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} =\mathrm{y}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{16}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\mathrm{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{1}} \:\mathrm{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{64}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\mathrm{1}} \mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}}\mathrm{dy}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{64}}\mathrm{w}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$\mathrm{w}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\lambda\right)=−\pi^{\mathrm{2}} ×\frac{−\pi\mathrm{sin}\left(\pi\lambda\right)\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\pi\lambda\right)−\mathrm{2}\pi\mathrm{sin}\left(\pi\lambda\right)\mathrm{cos}\left(\pi\lambda\right)}{\mathrm{sin}^{\mathrm{4}} \left(\pi\lambda\right)} \\ $$$$=−\pi^{\mathrm{3}} ×\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\pi\lambda\right)−\mathrm{2cos}\left(\pi\lambda\right)}{\mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \left(\pi\lambda\right)}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{w}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right)=−\pi^{\mathrm{3}} ×\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\mathrm{2}×\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}}{\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{3}} }=−\pi^{\mathrm{3}} ×\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}} \\ $$$$=−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\pi^{\mathrm{3}} \left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\right)=\sqrt{\mathrm{2}}\pi^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\frac{\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \mathrm{a}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }×\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\:+\frac{\mathrm{2loga}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }\left(−\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{16}}\right)\pi^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{3}} }×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{64}}\sqrt{\mathrm{2}}\pi^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$\Phi=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}} }\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \right)…. \\ $$