Question Number 48289 by Abdulhafeez Abu qatada last updated on 21/Nov/18
$${Evaluate}\:\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}\frac{{Log}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}\:{dx} \\ $$
Commented by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 22/Nov/18
Commented by maxmathsup by imad last updated on 22/Nov/18
$${let}\:{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}{dx}\:\Rightarrow{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left({x}\right)}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}} \\ $$$${A}\:=_{{x}+\mathrm{1}\:=\sqrt{\mathrm{2}}{t}} \:\:\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\:\frac{{ln}\left({t}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:\sqrt{\mathrm{2}}{dt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\frac{{ln}\left({t}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{dt}\:{let}\:{consider}\:{the} \\ $$$${parametric}\:{function}\:\varphi\left({x}\right)=\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\frac{{ln}\left({xt}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{dt}\:\:\:\:\:\:\:\:\left({xt}>\mathrm{1}\right) \\ $$$$\varphi^{'} \left({x}\right)\:=\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\:\frac{{t}}{\left({xt}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dt}\:{let}\:{decompose}\:{F}\left({t}\right)=\frac{{t}}{\left({xt}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$${F}\left({t}\right)=\frac{{a}}{{xt}−\mathrm{1}}\:+\frac{{bt}+{c}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{t}\rightarrow\frac{\mathrm{1}}{{x}}} \:\:\left({xt}−\mathrm{1}\right){F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}}\:=\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} {t}\:{F}\left({t}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+{b}\:\Rightarrow{b}=−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)=\frac{{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({xt}−\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{{t}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}+{c}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{0}\:=−\frac{{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:+{c}\:\Rightarrow{c}=\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({t}\right)=\:\frac{{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({xt}−\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\frac{{t}\:−{x}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi^{'} \left({x}\right)\:=\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \left(\:\:\frac{{x}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left({xt}−\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\frac{{t}−{x}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right){dt} \\ $$$$=\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\frac{{dt}}{{xt}−\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{2}{t}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:+\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{ln}\mid{xt}−\mathrm{1}\mid\right]_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\left[{ln}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\right]_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \:\:\:+\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\left[{arctan}\left({t}\right)\right]_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\left\{{ln}\mid{x}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\mid−{ln}\mid\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}−\mathrm{1}\mid\right\}−\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$+\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\left\{{arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left({x}\right)\:=\:\int\:\:\frac{{ln}\left({x}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:{dx}−\int\:\:\frac{{ln}\left(\frac{{x}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{dx}\:−\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}\:\int\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\: \\ $$$$+\left({arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:\int\:\frac{{xdx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}+{c}\:\Rightarrow\right. \\ $$$$\varphi\left({x}\right)\:=\int\:\frac{{ln}\left({x}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{dx}−\int\:\:\frac{{ln}\left({x}−\sqrt{\mathrm{2}}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:{dx}\:+{ln}\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right){arctanx}−\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}\:{arctanx} \\ $$$$+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right){ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)+{c} \\ $$$$=\int\:\frac{{ln}\left({x}\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{dx}−\int\:\frac{{ln}\left({x}−\sqrt{\mathrm{2}}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{dx}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({arctan}\left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right){ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)+{c} \\ $$$$….{be}\:{continued}… \\ $$$$ \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 22/Nov/18
$${we}\:{have}\:\mathrm{0}<{x}^{\mathrm{2}} <\mathrm{1}\:\:,\mathrm{0}<\mathrm{2}{x}<\mathrm{2}\:\Rightarrow\:\mathrm{3}<{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}<\mathrm{5}\:\Rightarrow\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}<\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}\:<\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow \\ $$$$\Rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}{ln}\left({x}\right)<−\frac{{lnx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}\:<−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\left({x}\right)\:\:\left(\:{see}\:{that}\:{ln}\left({x}\right)<\mathrm{0}\:{on}\:\right]\mathrm{0},\mathrm{1}\left[\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\left({x}\right)\:<\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}<\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}{ln}\left({x}\right)\:\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){dx}\:<\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}{dx}<\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left[{xln}\left({x}\right)−{x}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:<\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}<\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\left[{xln}\left({x}\right)−{x}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}<\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}{dx}<−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\:\:{we}\:{can}\:{take}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}\:\sim−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{30}} \\ $$$${with}\:{precision}\:\sigma\:=\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{30}}\:. \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 22/Nov/18
$${so}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}{dx}\:\sim−\mathrm{0},\mathrm{25}\:. \\ $$