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give-0-e-x-1-x-2-dx-at-form-of-serie-




Question Number 97616 by mathmax by abdo last updated on 08/Jun/20
give ∫_0 ^∞  (e^(−x) /((1+x)^2 ))dx at form of serie
$$\mathrm{give}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:\mathrm{at}\:\mathrm{form}\:\mathrm{of}\:\mathrm{serie} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 09/Jun/20
we have  ∫_0 ^∞  (e^(−x) /((1+x)^2 ))dx =_(by parts)   [−(1/(1+x))e^(−x) ]_0 ^∞  +∫_0 ^∞ (−(1/(x+1)))e^(−x)  dx  =1 −∫_0 ^∞  (e^(−x) /(1+x))dx =1−∫_0 ^∞  (1/(1+x))(Σ_(n=0) ^∞  (((−x)^n )/(n!)))dx  =1−Σ_(n=0) ^∞  (((−1)^n )/(n!)) ∫_0 ^∞  (x^n /(1+x))dx  but ∫_0 ^∞   (x^n /(1+x))dx =∫_0 ^1  (x^n /(1+x))dx +∫_1 ^∞  (x^n /(1+x))dx(→x=(1/t))  =∫_0 ^1  (x^n /(1+x))dx +∫_0 ^1  (1/(t^n (1+(1/t))))((dt/t^2 )) =∫_0 ^1  (x^n /(1+x))dx +∫_0 ^1   (dt/(t^n (t^2 +1)))  =∫_0 ^1 x^n (Σ_(p=0) ^∞ (−1)^p  x^p )dx +∫_0 ^1  x^(−n) (Σ_(p=0) ^∞  (−1)^p  x^(2p) )  =Σ_(p=0) ^∞  (−1)^p  ∫_0 ^1  x^(n+p ) dx +Σ_(p=0) ^∞  (−1)^p  ∫_0 ^1  x^(2p−n) dx  =Σ_(p=0) ^∞  (((−1)^p )/(n+p+1)) +Σ_(p=0) ^∞  (((−1)^p )/(2p−n+1)) ⇒  I =1−Σ_(n=0) ^∞ (((−1)^n )/(n!))( Σ_(p=0) ^∞  (((−1)^p )/(n+p+1)) +Σ_(p=0) ^∞  (((−1)^p )/(2p−n+1)))  =1−Σ_(n,p) (((−1)^(n+p) )/(n!(n+p+1))) −Σ_(n,p)  (((−1)^(n+p) )/(n!(2p−n+1)))
$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=_{\mathrm{by}\:\mathrm{parts}} \:\:\left[−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:+\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} \:\mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{1}\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:=\mathrm{1}−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\left(\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{but}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\left(\rightarrow\mathrm{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)}\left(\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{t}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}} \left(\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{p}} \right)\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{−\mathrm{n}} \left(\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{2p}} \right) \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}+\mathrm{p}\:} \mathrm{dx}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{2p}−\mathrm{n}} \mathrm{dx} \\ $$$$=\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\left(\:\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}}\:+\sum_{\mathrm{p}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{p}} }{\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$=\mathrm{1}−\sum_{\mathrm{n},\mathrm{p}} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{p}} }{\mathrm{n}!\left(\mathrm{n}+\mathrm{p}+\mathrm{1}\right)}\:−\sum_{\mathrm{n},\mathrm{p}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{p}} }{\mathrm{n}!\left(\mathrm{2p}−\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$

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