Question Number 36690 by prof Abdo imad last updated on 04/Jun/18
$${let}\:\:{f}\left({t}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:{ln}\left(\mathrm{1}\:−{tx}^{\mathrm{3}} \right){dx}\:\:{with}\:\mathrm{0}<{t}\leqslant\mathrm{1} \\ $$$${find}\:{a}\:{simple}\:{form}\:{of}\:{f}\left({t}\right)\: \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right){calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{ln}\left(\mathrm{2}−{x}^{\mathrm{3}} \right){dx}\:. \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Aug/18
$${we}\:{have}\:{f}^{'} \left({t}\right)\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{1}−{tx}^{\mathrm{3}} }{dx}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {x}^{\mathrm{3}} \left(\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{t}^{{n}} \:{x}^{\mathrm{3}{n}} {dx}\right. \\ $$$$=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{t}^{{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{3}\left({n}+\mathrm{1}\right)} {dx}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{t}^{{n}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{4}} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)^{\mathrm{4}} }\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)^{\mathrm{3}{n}\:\:+\mathrm{4}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{4}}\:\:=−\frac{\mathrm{1}}{\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)^{\mathrm{4}} }\:\varphi\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)\:{with}\: \\ $$$$\varphi\left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{x}^{\mathrm{3}{n}+\mathrm{4}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{4}}\:\Rightarrow\varphi^{'} \left({x}\right)=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{x}^{\mathrm{3}{n}+\mathrm{3}} ={x}^{\mathrm{3}} \:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left({x}^{\mathrm{3}} \right)^{{n}} \\ $$$$={x}^{\mathrm{3}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{3}} }\:=\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow\varphi\left({x}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:\frac{{t}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{3}} }\:{dt}\:+{c}\:\:{withc}=\varphi\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left({x}\right)=−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\frac{{t}^{\mathrm{3}} }{{t}^{\mathrm{3}} −\mathrm{1}}{dt}\:\:\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:\:\frac{{t}^{\mathrm{3}} −\mathrm{1}\:+\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{3}} −\mathrm{1}}{dt}\:=−{x}\:−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\:\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{3}} \:−\mathrm{1}}\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{3}} −\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left({t}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{{a}}{{t}−\mathrm{1}}\:+\frac{{bt}+{c}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{t}\rightarrow\mathrm{1}} \left({t}−\mathrm{1}\right){F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}} \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} {tF}\left({t}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}\:+{b}\:\Rightarrow{b}\:=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({t}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}−\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\frac{{t}\:−\mathrm{3}{c}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=−\mathrm{1}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+{c}\:\Rightarrow{c}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}−\mathrm{1}\:=−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}−\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\frac{{t}\:+\mathrm{2}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int\:{F}\left({t}\right){dt}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\:\int\:\frac{\mathrm{2}{t}\:+\mathrm{1}+\mathrm{3}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}\:+\mathrm{1}}{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}{ln}\mid{t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\mid\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int\:\:\:\frac{{dt}}{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}\:{but} \\ $$$$\int\:\:\:\frac{{dt}}{\left({t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}\:=_{{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{u}} \:\:\:\:\int\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:{du}=\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left({x}\right)=−{x}\:\:−\:\left[\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}{ln}\left({t}^{\mathrm{2}} \:+{t}+\mathrm{1}\right)−\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{{x}} \\ $$$$=−{x}\:−\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\mid{x}−\mathrm{1}\mid−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}\right)−\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right\} \\ $$$${we}\:{have}\:{f}^{'} \left({t}\right)=−\frac{\mathrm{1}}{\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)^{\mathrm{4}} }\:\varphi\left(^{\mathrm{3}} \sqrt{{t}}\right)\:\:\:{so}\:{the}\:{value}\:{of}\:{f}^{'} \left({x}\right)\:{is}\:{known}.. \\ $$$${be}\:{continued}… \\ $$