Question Number 97616 by mathmax by abdo last updated on 08/Jun/20
$$\mathrm{give}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:\mathrm{at}\:\mathrm{form}\:\mathrm{of}\:\mathrm{serie} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 09/Jun/20
$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=_{\mathrm{by}\:\mathrm{parts}} \:\:\left[−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:+\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} \:\mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{1}\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:=\mathrm{1}−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\left(\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{but}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\left(\rightarrow\mathrm{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)}\left(\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}} \left(\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{p}} \right)\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{−\mathrm{n}} \left(\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{2p}} \right) \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}+\mathrm{p}\:} \mathrm{dx}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{2p}−\mathrm{n}} \mathrm{dx} \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\left(\:\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n},\mathrm{p}} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{p}} }{\mathrm{n}!\left(\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}\right)}\:−\sum_{\mathrm{n},\mathrm{p}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{p}} }{\mathrm{n}!\left(\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$