Question Number 43918 by maxmathsup by imad last updated on 17/Sep/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{find}\:{f}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt}\:\:\:{with}\:\mathrm{0}\leqslant{x}\leqslant\mathrm{1} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt}\:. \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 19/Sep/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:{for}\:\mathrm{0}<{t}\leqslant{x}<\mathrm{1}\:\:\:\:{ln}^{'} \left(\mathrm{1}−{t}\right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{t}^{{n}} \:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}{t}^{{n}+\mathrm{1}} \:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{t}^{{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{ln}\left({t}\right)\left(\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{t}^{{n}} }{{n}}\right){dt}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {t}^{{n}} {ln}\left({t}\right)\:{dt} \\ $$$${by}\:{parts}\:\:{A}_{{n}} \left({x}\right)=\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{t}^{{n}} {ln}\left({t}\right){dt}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}{t}^{{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}{t}^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{{dt}}{{t}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\:−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:{t}^{{n}} {dt}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}{x}^{{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\left\{\:\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} \right\} \\ $$$$=\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{x}^{{n}+\mathrm{1}} \:={H}\left({x}\right)−{K}\left({x}\right) \\ $$$${K}\left({x}\right)\:={ln}\left({x}\right)\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left\{\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\right\}{x}^{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$={ln}\left({x}\right)\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}}\:−{ln}\left({x}\right)\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$={xln}\left({x}\right)\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:−{ln}\left({x}\right)\:\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\: \\ $$$$=−{xln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:−{ln}\left({x}\right)\left(−{ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid−{x}\right) \\ $$$$=−{xln}\left({x}\right){ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid+{ln}\left({x}\right)\left({ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid\:+{x}\right) \\ $$$$=\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left({x}\right){ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid\:+{xln}\left({x}\right)\:.{also}\:{we}\:{have} \\ $$$$\frac{{d}}{{dx}}{K}\left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:{x}^{{n}} \:\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left\{\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\right\}{x}^{{n}} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}\:=−{ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}} \\ $$$$\left.=−{ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\left\{\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:−{x}\right\}\:=−{ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid+\frac{\mathrm{1}}{{x}}{ln}\mid\mathrm{1}−{x}\right)\:+\mathrm{1} \\ $$$$=\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}−\mathrm{1}\right){ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid\:+\mathrm{1}\:\:=\frac{\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid}{{x}}\:+\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${K}\left({x}\right)\:=\:{x}\:+\:\int\:\:\:\:\frac{\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\mid\mathrm{1}−{x}\mid}{{x}}\:{dx}\:+{k}\:\:….{be}\:{continued}… \\ $$
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$$\left.\mathrm{2}\right)\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt}\:\:={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt} \\ $$$$={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \left\{\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} {lnx}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\right\}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\mathrm{1}\:. \\ $$
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$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)\:{dt}\:={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt}\:=… \\ $$$$ \\ $$