Question Number 96925 by M±th+et+s last updated on 05/Jun/20
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{{x}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 06/Jun/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\alpha\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha\right)}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{1}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\:\:\left(\alpha>\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\alpha\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{dx}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha\right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\:\:\mathrm{let}\:\mathrm{decompose}\:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha\right)} \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{bx}+\mathrm{c}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\alpha} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{a}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha} \\ $$$$\mathrm{lim}_{\mathrm{x}\rightarrow+\infty} \:\mathrm{xF}\left(\mathrm{x}\right)\:=\mathrm{0}\:=\mathrm{a}+\mathrm{b}\:\Rightarrow\mathrm{b}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha} \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\alpha}\:=\mathrm{a}+\frac{\mathrm{c}}{\alpha}\:\Rightarrow\mathrm{1}\:=\alpha\mathrm{a}\:+\mathrm{c}\:\Rightarrow\mathrm{c}\:=\mathrm{1}−\alpha\mathrm{a}\:=\mathrm{1}−\frac{\alpha}{\mathrm{1}+\alpha}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+\alpha\right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\mathrm{x}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\left\{\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha}\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\int\:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\left\{\mathrm{ln}\mid\mathrm{x}+\mathrm{1}\mid−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\alpha\right)\:\:+\int\:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\alpha}\right\} \\ $$$$\int\:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\alpha}\:=_{\mathrm{x}\:=\sqrt{\alpha}\mathrm{u}} \:\:\:\int\:\:\frac{\sqrt{\alpha}\mathrm{du}}{\alpha\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{x}}{\:\sqrt{\alpha}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\left\{\:\left[\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\alpha}}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:+\left[\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{x}}{\:\sqrt{\alpha}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\alpha}\left\{\:\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\alpha}}\right)−\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\right)\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\alpha\right)\:=\int\:\:\frac{\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\alpha}\:}\right)}{\mathrm{1}+\alpha}\:\mathrm{d}\alpha\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\frac{\mathrm{ln}\alpha}{\mathrm{1}+\alpha}\mathrm{d}\alpha\:\:+\int\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\alpha}}\right)}{\left(\mathrm{1}+\alpha\right)\sqrt{\alpha}}\:\mathrm{d}\alpha\:\:+\mathrm{c} \\ $$$$…\mathrm{be}\:\mathrm{continued}…. \\ $$$$ \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 07/Jun/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{take}\:\mathrm{a}\:\mathrm{try}\:\mathrm{with}\:\mathrm{series}\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{dx}\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{A}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dx}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{ln}^{'} \left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{u}}\:=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{u}^{\mathrm{p}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{u}\right)\:=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{u}^{\mathrm{p}+\mathrm{1}} }{\mathrm{p}+\mathrm{1}}\:+\mathrm{c}\:\left(\mathrm{c}=\mathrm{0}\right)\: \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} \:\mathrm{u}^{\mathrm{p}} }{\mathrm{p}}\:\Rightarrow\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\:=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}}\mathrm{x}^{\mathrm{2p}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{A}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}}\:\mathrm{x}^{\mathrm{2p}} \:\mathrm{dx}\:=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}+\mathrm{2p}} \:\mathrm{dx} \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}\left(\mathrm{n}+\mathrm{2p}+\mathrm{1}\right)}\:\Rightarrow\:\mathrm{I}\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \left(\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}\left(\mathrm{n}+\mathrm{2p}+\mathrm{1}\right)}\right) \\ $$$$\mathrm{I}=\sum_{\mathrm{n}\geqslant\mathrm{0}} \sum_{\mathrm{p}\geqslant\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{p}\left(\mathrm{n}+\mathrm{2p}+\mathrm{1}\right)} \\ $$
Commented by M±th+et+s last updated on 07/Jun/20
$${thank}\:{you}\:{sir} \\ $$