Question Number 112797 by mnjuly1970 last updated on 09/Sep/20
$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:….{calculus}… \\ $$$$\:\:\:{evaluate} \\ $$$$ \\ $$$${i}:\:\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {x}\sqrt{\:{tan}\left({x}\right)}\:{dx}=\:???\: \\ $$$${ii}:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\infty} \frac{{ln}\left({x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{4}} }{dx}\:=???\: \\ $$$$\:\:\:{m}.{n}.{july}\:\mathrm{1970} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 09/Sep/20
$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{use}\:\mathrm{the}\:\mathrm{formulae} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{q}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{lnxdx}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{Re}\left(\Sigma\mathrm{Res}\left(\mathrm{q}\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{z}\right)\right. \\ $$$$\mathrm{wehave}\:\mathrm{q}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\mathrm{we}\:\mathrm{considere}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\mathrm{q}\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{z}\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{z}}{\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\:\mathrm{polesof}\:\varphi? \\ $$$$\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{t}\:+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\mathrm{witht}\:=\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Delta\:=\mathrm{1}−\mathrm{4}\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{t}_{\mathrm{1}} =\frac{−\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{t}_{\mathrm{2}} \:=\frac{−\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=\left(\mathrm{t}−\mathrm{t}_{\mathrm{1}} \right)\left(\mathrm{t}−\mathrm{t}_{\mathrm{2}} \right)=\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i2}\pi}{\mathrm{3}}} \right) \\ $$$$\Rightarrow\varphi\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{z}}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)} \\ $$$$\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{q}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{lnx}\:\mathrm{dx}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{Re}\left(\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)+\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\right. \\ $$$$\left.+\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\right\} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}{\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(\mathrm{2i}\:\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\left(\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4i}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}.\frac{\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}{−\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\left(\mathrm{ln}\left(−\mathrm{1}\right)+\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{−\mathrm{4i}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{i}\pi+\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{−\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:=−\frac{\left(\frac{\mathrm{4}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{−\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:=\frac{\mathrm{8}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}{\left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)\left(\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}\:=\frac{\left(\frac{−\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{−\mathrm{4i}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}\:×\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\varphi,−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)\:=\frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \right)}{−\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)}\:=\frac{\left(\mathrm{i}\pi−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4i}×\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$=−\frac{\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:=−\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}\:.\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\Sigma\:\mathrm{Res}\left(\varphi\:\mathrm{a}_{\mathrm{l}} \right)=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\frac{\mathrm{8}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:−\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{2i}\:\mathrm{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}\right)\right)\:−\frac{\mathrm{i}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:+\mathrm{i}\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right\}+\mathrm{2i}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right\} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\:−\frac{\mathrm{i}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}\sqrt{\mathrm{3}}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}}\:+\frac{\mathrm{2i}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18}\sqrt{\mathrm{3}}}−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{Re}\left(\Sigma\:\mathrm{Res}\right)=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{18}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}}−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}\:=\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} +\pi^{\mathrm{2}} −\mathrm{4}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}}\:=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}}\:\Rightarrow \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{Re}\left(\Sigma\:\mathrm{Res}\left(\varphi..\right)\right)\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{72}}\:\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{lnx}}{\mathrm{x}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{72}} \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 10/Sep/20
$${thank}\:{you}\:{very}\:{much}\:{mr} \\ $$$${max}.{grateful}.. \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 09/Sep/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{x}\sqrt{\mathrm{tanx}}\mathrm{dx}\:\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{do}\:\mathrm{the}\:\mathrm{changement}\:\sqrt{\mathrm{tanx}}=\mathrm{t}\:\Rightarrow\mathrm{tanx}\:=\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{x}\:=\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\:\Rightarrow\mathrm{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{t}\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\:\left(\mathrm{2t}\right)\mathrm{dt} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{1}}\:\mathrm{dt}\:\mathrm{let} \\ $$$$\mathrm{w}\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{z}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{1}}\:\:\mathrm{poles}\:\mathrm{of}\:\mathrm{w}! \\ $$$$\mathrm{W}\left(\mathrm{z}\right)\:=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right)}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} −\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{i}\right)}\:=\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right)}{\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)} \\ $$$$\mathrm{residus}\:\mathrm{theorem}\:\mathrm{give} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\mathrm{w}\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\:\mathrm{Res}\left(\mathrm{w},\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)+\mathrm{Res}\left(\mathrm{w},−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\right\} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\mathrm{w},\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\:=\frac{\mathrm{i}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)}{\mathrm{2e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \left(\mathrm{2i}\right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\mathrm{w},−\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)\:=\frac{−\mathrm{i}\:\mathrm{arctan}\left(−\mathrm{i}\right)}{\left(−\mathrm{2i}\right)\left(−\mathrm{2e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \:\Rightarrow \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\mathrm{w}\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\mathrm{arctani}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{2}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{2cos}\left(\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right)\right)\:=\mathrm{i}\pi\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)×\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{i}\pi\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)\:=\mathrm{2A}\:\Rightarrow\:\mathrm{A}\:=\frac{\mathrm{i}\pi\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right) \\ $$$$\mathrm{rest}\:\mathrm{to}\:\mathrm{find}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right)!…..\mathrm{be}\:\mathrm{continued}…. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 10/Sep/20
$$\mathrm{sorry}\:\mathrm{A}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} \:+\mathrm{1}}\:\mathrm{dt}\:\Rightarrow\:\mathrm{A}\:=\frac{\mathrm{i}\pi\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{i}\right) \\ $$