Question Number 136921 by mnjuly1970 last updated on 27/Mar/21
$$\:\:\:\:\:{evaluation}\:{of}\:::\:\boldsymbol{\phi}=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{xln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$\:\:{solution}: \\ $$$$\:\:\:\:\boldsymbol{\phi}\overset{{I}.{B}.{P}\:} {=}\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right){ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+{x}}{dx}=\boldsymbol{\Phi}\right\} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\boldsymbol{\phi}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\boldsymbol{\Phi}\:……..\checkmark \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\boldsymbol{\Phi}=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+{x}}{dx}\:=??? \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:{h}\left({a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{ax}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+{x}}{dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:{h}'\left({a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\partial}{\partial_{{a}} }\left(\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{ax}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+{x}}\right){dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:{h}'\left({a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}+{x}\right)\left(\mathrm{1}+{ax}^{\mathrm{2}} \right)}{dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:{h}'\left({a}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{a}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}}{dx}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{a}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{x}}{\mathrm{1}+{ax}^{\mathrm{2}} }{dx}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{a}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{ax}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{a}}{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}.\frac{\mathrm{1}}{{a}\left(\mathrm{1}+{a}\right)}{ln}\left(\mathrm{1}+{a}\right)β\frac{\sqrt{{a}}}{{a}\left(\mathrm{1}+{a}\right)}\left[\left({tan}^{β\mathrm{1}} \left({x}\sqrt{{a}}\:\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \right. \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{1}+{a}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}.\frac{\mathrm{1}}{{a}\left(\mathrm{1}+{a}\right)}\:{ln}\left(\mathrm{1}+{a}\right)β\frac{\sqrt{{a}}}{{a}\left(\mathrm{1}+{a}\right)}{tan}^{β\mathrm{1}} \left(\sqrt{{a}}\:\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} {h}'\left({a}\right){da}={ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{a}\right)}{{a}}{da}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\left(\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}\right) \\ $$$$\:\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:={ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}} \\ $$$$\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\:\:\therefore\:\:{h}\left(\mathrm{1}\right)=\boldsymbol{\Phi}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}\:\:..\checkmark \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\boldsymbol{\phi}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{96}} \\ $$$$\:\:\:\:\boldsymbol{\phi}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{96}} \\ $$$$\: \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 27/Mar/21
$$\Phi=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:\:=\varphi\left(\mathrm{1}\right)\:\mathrm{with}\:\varphi\left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\:\:\left(\mathrm{t}>\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\varphi^{'} \left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}β\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\mathrm{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:\:\mathrm{but}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}=\mathrm{ln2} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{decompose}\:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{bx}+\mathrm{c}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{a}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\:,\:\mathrm{lim}_{\mathrm{x}\rightarrow\infty} \mathrm{xF}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{0}\:=\mathrm{a}+\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{t}}\:\Rightarrow\mathrm{0}=\mathrm{at}+\mathrm{b}\:\Rightarrow\mathrm{b}=β\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}=\mathrm{a}+\mathrm{c}\:\Rightarrow\mathrm{c}=\mathrm{1}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}+\frac{β\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{x}+\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}β\frac{\mathrm{tx}β\mathrm{t}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\}\:\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\left\{\mathrm{ln2}β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{tx}β\mathrm{t}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\right\}\:\mathrm{and} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{tx}β\mathrm{t}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2tx}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{x}=\mathrm{y}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{ln}\left(\mathrm{tx}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:β\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{\mathrm{t}}} \:\:\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\frac{\mathrm{dy}}{\:\sqrt{\mathrm{t}}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)β\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi^{'} \left(\mathrm{t}\right)=\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}\left\{\mathrm{ln2}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)+\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}}β\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}β\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}β\frac{\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}}\left(\mathrm{1}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\right)β…=\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}}.\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}β\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}β\frac{\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{log2}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}β\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\right)\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)β\frac{\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\varphi^{'} \left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt}\:=\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}}\mathrm{dt}+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt} \\ $$$$β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\sqrt{\mathrm{t}}\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}\mathrm{dt} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}}\mathrm{dt}\:\:=\left[\mathrm{logt}.\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{logt}}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt} \\ $$$$=β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{log}\left(\mathrm{t}\right)\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(β\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{dt}=β\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(β\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{logt}\:\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{U}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{logt}\:\mathrm{dt}\:=\left[\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{n}+\mathrm{1}}\mathrm{logt}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{dt}\:=β\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}}\mathrm{dt}\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(β\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=β\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(β\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=β\left(\mathrm{2}^{\mathrm{1}β\mathrm{2}} β\mathrm{1}\right)\xi\left(\mathrm{2}\right)=β\left(β\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right).\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:=\left[\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}+\mathrm{1}}\mathrm{dt}\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{J}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\sqrt{\mathrm{t}}\:\mathrm{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{t}}\right)}{\mathrm{t}\left(\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)}\mathrm{dt}\:=_{\sqrt{\mathrm{t}}=\mathrm{y}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{yarctany}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}\left(\mathrm{2y}\right)\mathrm{dy} \\ $$$$=\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{y}\right)}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dy}\:=\mathrm{2}\left\{\:\left[\mathrm{arctan}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} β\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{arctany}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$=\mathrm{2}Γ\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}β\mathrm{2}\int\left(…\right)\mathrm{dy}\:\Rightarrow\mathrm{4}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{arctany}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dy}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{arctany}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dy}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{32}}\:\Rightarrow \\ $$$$\Phi\:=\varphi\left(\mathrm{1}\right)=\mathrm{log}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:+\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}β\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\mathrm{4}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}β\frac{\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)β\frac{\mathrm{7}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}\:?? \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$