Question Number 139708 by qaz last updated on 30/Apr/21
$${Prove}:\:\:\:\mathrm{1}+\mathrm{2}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{a}^{{n}} \mathrm{cos}\:\left({nx}\right)=\frac{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{a}\mathrm{cos}\:{x}+{a}^{\mathrm{2}} },\:\:\:\:\:\:\left(\mid{a}\mid<\mathrm{1}\right) \\ $$$${And}\:{calculate}::\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{8sin}\:^{\mathrm{2}} {x}}{dx}=\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{36}}−\frac{\pi}{\mathrm{6}}{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{2} \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 30/Apr/21
$$\mathrm{1}+\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{a}^{{n}} {e}^{{inx}} +{a}^{{n}} {e}^{−{inx}} =\mathrm{1}+\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left({ae}^{{ix}} \right)^{{n}} +\left({ae}^{−{ix}} \right)^{{n}} \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{{ae}^{{ix}} }{\mathrm{1}−{ae}^{{ix}} }+\frac{{ae}^{−{ix}} }{\mathrm{1}−{ae}^{−{i}} }\:=\mathrm{1}+\frac{{ae}^{{ix}} −{a}^{\mathrm{2}} +{ae}^{−{ix}} −{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{acos}\left({x}\right)+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}{acos}\left({x}\right)−\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{acosx}+{a}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}−{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{acos}\left({x}\right)+{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by qaz last updated on 30/Apr/21
$${thank}\:{you}.{sir} \\ $$
Answered by mindispower last updated on 30/Apr/21
$$:: \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{8}\left(\mathrm{1}−{cos}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)\right)}{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{3}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}{cos}\left({x}\right)\right)\left(\mathrm{3}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}{cos}\left({x}\right)\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left(\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}{cos}\left({x}\right)}{dx}+\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}{cos}\left({x}\right)}{dx}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left({A}+{B}\right) \\ $$$$\mathrm{6}{A}=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{\mathrm{1}−\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}.\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{cos}\left({x}\right)}{x}^{\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$\mathrm{6}{B}=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \frac{\mathrm{1}−\left(−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\left(−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}.−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{cos}\left({x}\right)}{x}^{\mathrm{2}} {dx} \\ $$$${A}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{{n}} {x}^{\mathrm{2}} {cos}\left({nx}\right)\right) \\ $$$${B}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(−\sqrt{\mathrm{2}}\right)^{{n}} {x}^{\mathrm{2}} {cos}\left({nx}\right)\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} {x}^{\mathrm{2}} {cos}\left({nx}\right){dx}=−\frac{\mathrm{2}}{{n}}\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} {xsin}\left({nx}\right){dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{2}} }\left[\pi\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \right] \\ $$$${A}=\frac{\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{18}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{{n}} .\frac{\mathrm{2}\pi}{{n}^{\mathrm{2}} }\left(\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \right) \\ $$$${B}=\frac{\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{18}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{{n}} .\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{2}} }\left(\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \right) \\ $$$${A}+{B}=\frac{\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{9}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{{n}} .\frac{\pi}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${li}_{\mathrm{2}} \left({z}\right)=\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{{z}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} };\forall\mid{z}\mid\leqslant\mathrm{1} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{9}}+\frac{\pi}{\mathrm{3}}{Li}_{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right),{li}_{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}−\frac{{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{9}}+\frac{\pi}{\mathrm{3}}\left(\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}−\frac{{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}\right)=\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{3}} }{\mathrm{36}}−\frac{\pi{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{6}} \\ $$$$ \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 30/Apr/21
$${bravo}\:{bravo}\:{sir}\:{power}… \\ $$
Commented by mindispower last updated on 01/May/21
$${withe}\:{pleasur}\:{Sir} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 01/May/21
$$\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\mathrm{a}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)\:=\mathrm{Re}\left(\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\mathrm{a}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{\mathrm{inx}} \:−\mathrm{1}\right) \\ $$$$\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(\mathrm{ae}^{\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{ae}^{\mathrm{ix}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{acosx}−\mathrm{iasinx}}\:=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{acosx}+\mathrm{iasinx}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{acosx}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \\ $$$$\:\Rightarrow\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\mathrm{a}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)\:=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{acosx}}{\mathrm{1}−\mathrm{2acosx}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\mathrm{a}^{\mathrm{n}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)\:=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}−\mathrm{2acosx}}{\mathrm{1}−\mathrm{2acosx}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}−\mathrm{2acosx}}{\mathrm{1}−\mathrm{2acosx}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}\:=\frac{\mathrm{2}−\mathrm{2acosx}−\mathrm{1}+\mathrm{2acosx}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2acosx}\:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2acosx}\:+\mathrm{1}} \\ $$