Question Number 35675 by abdo imad last updated on 21/May/18
$${calculate}\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} \:\:\:\frac{{x}}{{e}^{{x}} \:−\mathrm{1}}{dx}\:.. \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 25/May/18
$${I}\:\:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} \:\:\frac{{x}\:{e}^{−{x}} }{\mathrm{1}−{e}^{−{x}} }{dx}\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} \left(\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{e}^{−{nx}} \right){x}\:{e}^{−{x}} \:{dx} \\ $$$$=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} \:\:{x}\:{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right){x}} \:{dx}\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{A}_{{n}} \:\:{with} \\ $$$${A}_{{n}} \:=\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}} \:\:{x}.{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right){x}} {dx}\:\:.{changement}\:\left({n}+\mathrm{1}\right){x}={t} \\ $$$${give}\:{A}_{{n}} \:=\int_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:\:\frac{{t}}{{n}+\mathrm{1}}\:{e}^{−{t}} \:\:\:\frac{{dt}}{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\int_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:\:{t}^{} \:{e}^{−{t}} \:{dt}\:\:{by}\:{parts} \\ $$$$\int_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:\:{t}\:{e}^{−{t}} \:{dt}\:=\:\left[\:−{t}\:{e}^{−{t}} \right]_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:+\int_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:\:{e}^{−{t}} {dt} \\ $$$$=\:\left({n}+\mathrm{1}\right){e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \: \\ $$$$+\left[\:−{e}^{−{t}} \right]_{{n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\left({n}+\mathrm{1}\right)\:{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:+{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} \:−{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$${A}_{{n}} \:\:=\:\frac{{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{{n}+\mathrm{1}}\:−\mathrm{3}\frac{{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{{n}+\mathrm{1}}\:\:+\:\frac{{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{A}_{{n}} \:=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{{n}+\mathrm{1}}\:−\mathrm{3}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$+\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{e}^{−\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{e}^{−{n}} }{{n}}\:\:−\mathrm{3}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{e}^{−\mathrm{3}{n}} }{{n}}\:\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{e}^{−{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{e}^{−\mathrm{3}{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:\:\:\:….{be}\:{continued}…. \\ $$