Question Number 60595 by maxmathsup by imad last updated on 22/May/19
$${let}\:{f}\left({a}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{ln}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{ax}\right)^{\mathrm{2}} }\:{dx}\:\:{with}\:\mid{a}\mid<\mathrm{1} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:\:{find}\:{a}\:{explicit}\:{form}\:{of}\:{f}\left({a}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{determine}\:{A}\left(\theta\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{ln}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)}{\left(\mathrm{1}−\left({cos}\theta\right){x}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}\:\:{with}\:\mathrm{0}<\theta<\frac{\pi}{\mathrm{2}} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 23/May/19
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:{for}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{x}^{{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\:{and}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} {nx}^{{n}−\mathrm{1}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{ax}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{n}\left({ax}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} {n}\:{a}^{{n}−\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({a}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} {na}^{{n}−\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \right){ln}^{\mathrm{2}} \left({x}\right){dx}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} {na}^{{n}−\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} {ln}^{\mathrm{2}} \left({x}\right){dx} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{na}^{{n}−\mathrm{1}} {w}_{{n}} \:\:\:\:\:{with}\:\:{w}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} {ln}^{\mathrm{2}} \left({x}\right){dx}\:\:{by}\:{parts}\:{u}^{'} ={x}^{{n}−\mathrm{1}} \:{and}\:{v}={ln}^{\mathrm{2}} {x} \\ $$$${w}_{{n}} =\left[\frac{\mathrm{1}}{{n}}{x}^{{n}} {ln}^{\mathrm{2}} {x}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{n}}{x}^{{n}} \:\frac{\mathrm{2}{lnx}}{{x}}{dx}\:=−\frac{\mathrm{2}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} {ln}\left({x}\right)\:\: \\ $$$$=_{{byparts}} \:\:\:\:−\frac{\mathrm{2}}{{n}}\left\{\:\:\left[\frac{\mathrm{1}}{{n}}{x}^{{n}} {lnx}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{n}}{x}^{{n}} \:\frac{{dx}}{{x}}\right\}=−\frac{\mathrm{2}}{{n}}\left\{−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} {dx}\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow{f}\left({a}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{2}{na}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{3}} }\:=\mathrm{2}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{a}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow{af}\left({a}\right)\:=\mathrm{2}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{a}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:{try}\:{to}\:{find}\:\:{s}\left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:\:\:{if}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\:\:…. \\ $$$$ \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 23/May/19
$${we}\:{have}\:{S}^{'} \left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\Rightarrow{x}\:{S}^{\left(\mathrm{1}\right)} \left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$$\left({x}\:{S}^{\left(\mathrm{1}\right)} \left({x}\right)\right)^{'} \:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{x}^{{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\Rightarrow{S}^{\left(\mathrm{1}\right)} \left({x}\right)\:+{xS}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\Rightarrow \\ $$$${S}\:{is}\:{solution}\:{of}\:\left({de}\right)\:\:\:\:\:\:{xy}^{''} \:+{y}^{'} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\:\:\:{let}\:{y}^{'} \:={z}\:\Rightarrow \\ $$$${xz}^{'} \:+{z}\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\:\:\left({e}\right) \\ $$$$\left({he}\right)\:\Rightarrow{xz}^{'} \:+{z}\:=\mathrm{0}\:\Rightarrow{xz}^{'} \:=−{z}\:\Rightarrow\frac{{z}^{'} }{{z}}\:=−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\Rightarrow{ln}\mid{z}\mid\:=−{ln}\mid{x}\mid\:+{c}\:\Rightarrow \\ $$$$\left.{z}\:=\frac{{k}}{\mid{x}\mid}\:\:\:\:{let}\:{determine}\:{the}\:{solution}\:{on}\right]\mathrm{0},+\infty\left[\:\Rightarrow{z}\:=\frac{{k}}{{x}}\:\Rightarrow\:{mvc}\:{method}\:{give}\right. \\ $$$${z}^{'} \:=\frac{{k}^{'} }{{x}}\:−\frac{{k}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:\:\:\:\:\:\:\left({e}\right)\:\Rightarrow{k}^{'} \:−\frac{{k}}{{x}}\:+\frac{{k}}{{x}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\Rightarrow{k}^{'} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}\:\Rightarrow{k}\left({x}\right)\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)+{c}_{\mathrm{0}} \\ $$$$\Rightarrow{z}\left({x}\right)\:=−\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}\:+\frac{{c}_{\mathrm{0}} }{{x}} \\ $$$${y}^{'} ={z}\:\Rightarrow{y}^{'} \:=−\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}\:+\frac{{c}_{\mathrm{0}} }{{x}}\:\Rightarrow\:{y}\left({x}\right)\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\:+{c}_{\mathrm{0}} {ln}\left({x}\right)\:+\lambda\:\Rightarrow \\ $$$${S}\left({x}\right)\:=\:{c}_{\mathrm{0}} {ln}\left({x}\right)−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\:\:\:\:\left(\:\:{x}>\mathrm{0}\right) \\ $$$${S}\left({e}\right)\:={c}_{\mathrm{0}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{{e}} \:\:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:\:\Rightarrow{c}_{\mathrm{0}} =\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:+\int_{\mathrm{0}} ^{{e}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\:\Rightarrow \\ $$$${S}\left({x}\right)\:=\left(\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:+\int_{\mathrm{0}} ^{{e}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\right){ln}\left({x}\right)−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{{t}}\:{dt}\:….{be}\:{continued}… \\ $$