Question Number 34771 by abdo mathsup 649 cc last updated on 10/May/18
$${let}\:{A}\left({x}\right)=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{ln}\left(\mathrm{1}+{ix}^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$$${find}\:{a}\:{simple}\:{form}\:{of}\:{f}\left({x}\right)\:\:\:\:\left({x}\in{R}\right) \\ $$
Commented by abdo mathsup 649 cc last updated on 13/May/18
$${we}\:{have}\:\mathrm{1}+{ix}^{\mathrm{2}} =\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }}\:+{i}\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }}\right) \\ $$$$={r}\:{e}^{{i}\theta} \:\Rightarrow{r}=\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:\:{and}\:\:{cos}\theta\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }}\:\:,{sin}\theta=\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\:\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\Rightarrow{tan}\theta\:={x}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\theta\:={arctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}+{ix}^{\mathrm{2}} \:=\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:{e}^{{iarctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)} \:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{ix}^{\mathrm{2}} \right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)\:+{i}\:{arctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$${A}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right){dx}\:\:+{i}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{arctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$$${A}\:+{iB} \\ $$$${by}\:{parts}\:\:{B}\:=\:\left[{x}\:{arctan}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }{dx} \\ $$$${B}\:=\:\frac{\pi}{\mathrm{4}}\:−\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }{dx}\:\:{is}\:{calculated}\:{after}\: \\ $$$${decomposition}\:{of}\:{F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:…. \\ $$$${ln}^{'} \left(\mathrm{1}+{t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{t}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {t}^{{n}} \:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{t}\right)=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {t}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:{t}^{{n}} }{{n}} \\ $$$$\Rightarrow{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:{x}^{\mathrm{4}{n}} \:\:\Rightarrow \\ $$$${A}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:{x}^{\mathrm{4}{n}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$\frac{{A}}{\mathrm{2}}\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{4}{n}\left(\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}\right)}\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\:\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:\:\:+\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$${let}\:{w}\left({x}\right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}}\:{x}^{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$${w}^{'} \left({x}\right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:{x}^{\mathrm{4}{n}} \:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−{x}^{\mathrm{4}} \right)^{{n}} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }\:\Rightarrow{w}\left({x}\right)=\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:+\:{c}\:\:\:\:{but}\:{c}={w}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:…{the}\:{value}\:{of}\:{this} \\ $$$${integral}\:{is}\:{known}\:{after}\:{decoposition}… \\ $$$$= \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$