Question Number 60659 by Mr X pcx last updated on 23/May/19
$${find}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 26/May/19
$${let}\:{A}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){dx}\:\:{we}\:{have}\:{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:\:{with}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:\Rightarrow\:{A}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\left(\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}{n}} }{{n}}\right){ln}\left({x}\right){dx}\:\Rightarrow \\ $$$$−{A}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}} {ln}\left({x}\right){dx}\:\:\:\:{by}\:{parts}\:{u}^{'} \:={x}^{\mathrm{2}{n}} \:{and}\:{v}\:={ln}\left({x}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}} {ln}\left({x}\right){dx}\:=\:\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}{x}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}{x}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:\frac{{dx}}{{x}} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}} {dx}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow−{A}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${A}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\frac{{A}}{\mathrm{2}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right\}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)}\:\Rightarrow{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} −\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\:+….+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+….+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$−\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:−….−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}} \\ $$$$={H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} −\mathrm{1}\:\Rightarrow\:{S}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} −{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} \:+\mathrm{1} \\ $$$$={H}_{{n}} −{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:+\mathrm{1}\:={ln}\left({n}\right)\:+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)−{ln}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)−\gamma−{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)+\mathrm{1} \\ $$$$={ln}\left(\frac{{n}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+\mathrm{1}\:\rightarrow\mathrm{1}−{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:\:\left({n}\rightarrow+\infty\right) \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1} \\ $$$$\xi\left(\mathrm{2}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{2}\right)\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{2}\right)\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{A}}{\mathrm{2}}\:=\:\mathrm{1}−{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:+\mathrm{1}\:\:=\mathrm{2}\:−{ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$${A}\:=\mathrm{4}−\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:. \\ $$
Answered by einsteindrmaths@hotmail.fr last updated on 23/May/19
$${l}\mathrm{n}\:\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right)=−\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left({x}\right)^{\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}} /\left({k}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right)=−\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{x}^{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right)} {ln}\left({x}\right)}{{k}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\underset{\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{1}} {\int}}{ln}\left({x}\right){x}^{{k}} {dx}=−\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){dx}=\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${we}\:{know}\:\:\:\:\:\zeta\left(\mathrm{2}\right)=\underset{{k}={o}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}=\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left[\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right]=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\zeta\left(\mathrm{2}\right)+\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${so}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\mathrm{3}/\mathrm{4}\zeta\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} }=\:\:\:\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}=\mathrm{3}/\mathrm{4}\zeta\left(\mathrm{2}\right)−\mathrm{1}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}×\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\mathrm{1}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}−\mathrm{1} \\ $$$$\:{so}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} \right){dx}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}−\mathrm{1} \\ $$$$ \\ $$