Question Number 78270 by msup trace by abdo last updated on 15/Jan/20
$${find}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$${prove}\:{first}\:{the}\:{convergence}. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 15/Jan/20
$${let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }{dx}\:\:\:{the}\:{convergence}\:{is}\:{assured}\:{by}\:{sir} \\ $$$$<{mind}\:{is}\:{power}>\:\:\:{we}\:{have}\:{ln}^{'} \left(\mathrm{1}−{u}\right)=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{u}}=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{u}^{{n}} \:\:{for} \\ $$$$\mid{u}\mid<\mathrm{1}\:\Rightarrow{ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{u}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:\:+{c}\:\:\left({c}=\mathrm{0}\right)=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{u}^{{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:\Rightarrow\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} }{{n}}{ln}\left({x}\right) \\ $$$$\Rightarrow{I}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \:{ln}\left({x}\right){dx}\:\:{by}\:{parts} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} {ln}\left({x}\right){dx}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \frac{{dx}}{{x}} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \:{dx}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\left[{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\frac{−\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{c}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${a}={xF}\left({x}\right)\mid_{{x}=\mathrm{0}} \:\:=\mathrm{1} \\ $$$${c}\:=\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\mid_{{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\:\:=\mathrm{2}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:+\frac{{b}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)=\mathrm{1}\:=\mathrm{1}\:+{b}\:+\mathrm{2}\:\Rightarrow{b}=−\mathrm{2}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{F}\left({n}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\right)\:+\mathrm{2}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\right)\:={lim}\:{s}_{{n}} \:\:{with}\:{s}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{k}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\right) \\ $$$$={H}_{{n}} −\mathrm{2}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\:{but} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\:=\mathrm{1}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\:+…+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:+…\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−…−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}} \\ $$$$={H}_{\mathrm{2}{n}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} \:\Rightarrow\:{s}_{{n}} ={H}_{{n}} −\mathrm{2}\left\{{H}_{\mathrm{2}{n}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} \right\} \\ $$$$=\mathrm{2}{H}_{{n}} −\mathrm{2}{H}_{\mathrm{2}{n}} \:\:=\mathrm{2}\left(\:{ln}\left({n}\right)+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)−{ln}\left(\mathrm{2}{n}\right)−\gamma+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\right) \\ $$$$=\mathrm{2}\left(\:{ln}\left(\frac{{n}}{\mathrm{2}{n}}\right)\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\right)\:\Rightarrow{lim}\:{s}_{{n}} =−\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:{let}\:{findA}=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${A}\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{we}\:{have}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right)\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}×\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$${I}\:=−\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\mathrm{2}×\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Answered by mind is power last updated on 15/Jan/20
$$\mathrm{cv}\: \\ $$$$\mathrm{in}\:\mathrm{zero}\: \\ $$$$\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\sim\mathrm{1} \\ $$$$\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }.\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)\sim\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)\:\:\mathrm{log}\:\mathrm{is}\:\mathrm{integrabl}\:\mathrm{in}\:\mathrm{zero} \\ $$$$\mathrm{in}\:\mathrm{1} \\ $$$$\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right).\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right) \\ $$$$\underset{{x}\rightarrow\mathrm{1}} {\mathrm{lim}}\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{x}\:}\:\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{x}}}\right) \\ $$$$\mathrm{since}\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{x}}}\:\mathrm{is}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{in}\:\mathrm{1}^{−} \Rightarrow\mathrm{g}\:\mathrm{also} \\ $$$$\left.\mathrm{since}\:\mathrm{g}\:\mathrm{is}\:\mathrm{continus}\:\right]\mathrm{0},\mathrm{1}\left[\:\Rightarrow\mathrm{is}\:\mathrm{integrable}\right. \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)=−\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2k}} }{\mathrm{k}} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2k}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)}{\mathrm{k}}\mathrm{dx} \\ $$$$=−\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{x}^{\mathrm{2k}} }{\mathrm{k}}\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{u}=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}\right)\Rightarrow\mathrm{dx}=−\mathrm{e}^{−\mathrm{u}} \mathrm{du} \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\left(−\mathrm{u}\right).\left(−\mathrm{e}^{−\mathrm{u}} \right)\mathrm{e}^{−\mathrm{2ku}} }{\mathrm{k}}\mathrm{du} \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{ue}^{−\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)\mathrm{u}} }{\mathrm{k}}\mathrm{du},\mathrm{w}=\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)\mathrm{u}\Rightarrow\mathrm{du}=\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{1}+\mathrm{2k}} \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{\mathrm{we}^{−\mathrm{w}} }{\mathrm{k}\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dw} \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{k}\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)^{\mathrm{2}} }.\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \mathrm{we}^{−\mathrm{w}} \mathrm{dw}=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{k}\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\Sigma\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{k}}−\frac{\mathrm{2}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{2}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)}\right) \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2k}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}+\mathrm{2k}}\right)−\mathrm{2}\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{2k}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{2}\left\{\underset{\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}}+\mathrm{1}\right\}−\mathrm{2}\frac{\mathrm{3}\zeta\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{4}} \\ $$$$=\mathrm{2}\left\{\mathrm{1}−\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)\right)−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}.\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$=\mathrm{2}−\mathrm{2ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$
Commented by msup trace by abdo last updated on 15/Jan/20
$${thank}\:{you}\:{sir}. \\ $$
Commented by mind is power last updated on 15/Jan/20
$$\mathrm{y}'\mathrm{re}\:\mathrm{Welcom} \\ $$