Question Number 64677 by mathmax by abdo last updated on 20/Jul/19
$${let}\:{f}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {lnt}\:{ln}\left(\mathrm{1}−{xt}\right){dt}\:\:\:{with}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right){determine}\:{a}\:{explicit}\:{form}\:{for}\:{f}\left({x}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{also}\:{g}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{tlnt}}{\mathrm{1}−{xt}}{dt} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{give}\:{f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:{at}\:{form}\:{of}\:{integral} \\ $$$$\left.\mathrm{4}\right)\:{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{t}\right){dt}\:\:{and}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{ln}\left({t}\right){ln}\left(\mathrm{2}−{t}\right){dt} \\ $$$$\left.\mathrm{5}\right)\:{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{tln}\left({t}\right)}{\mathrm{2}−{t}}\:{dt}\:. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 21/Jul/19
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{f}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {lntln}\left(\mathrm{1}−{xt}\right){dt}\:\:{case}\:\mathrm{1}\:\:\mathrm{0}<{x}<\mathrm{1}\:\:{changement}\:{xt}\:={u} \\ $$$${give}\:{f}\left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left(\frac{{u}}{{x}}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right)\frac{{du}}{{x}}\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \left({lnu}−{lnx}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({u}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du}−\frac{{lnx}}{{x}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du}\:=_{\mathrm{1}−{u}\:={z}} \:\:\:\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{1}−{x}} {ln}\left({z}\right)\left(−{dz}\right)=\int_{\mathrm{1}−{x}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left({z}\right){dz} \\ $$$$\left[{zlnz}−{z}\right]_{\mathrm{1}−{x}} ^{\mathrm{1}} \:=−\mathrm{1}−\left(\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)−\left(\mathrm{1}−{x}\right)\right) \\ $$$$=−\mathrm{1}−\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:+\mathrm{1}−{x}\:=−{x}−\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right) \\ $$$${also}\:{we}\:{have}\:{ln}^{'} \left(\mathrm{1}−{u}\right)\:=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{u}}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:{u}^{{n}} \:\:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{u}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:+{c}\:\:\left({c}=\mathrm{0}\right)\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{u}^{{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({u}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({u}\right)\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{u}^{{n}} }{{n}}\:{du} \\ $$$$=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{u}^{{n}} {lnu}\:{du}\:\:\:{by}\:{parts}\:\:{f}^{'} \:={u}^{{n}} \:{and}\:{g}\:={lnu}\:\Rightarrow \\ $$$${w}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {u}^{{n}} {ln}\left({u}\right){du}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}{u}^{{n}+\mathrm{1}} {lnu}\right]_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:−\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:\frac{{u}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:\frac{{du}}{{u}} \\ $$$$=\frac{{lnx}}{{n}+\mathrm{1}}{x}^{{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} \:{u}^{{n}} \:{du}\:=\frac{{lnx}}{{n}+\mathrm{1}}{x}^{{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\left[\frac{{u}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\right]_{\mathrm{0}} ^{{x}} \\ $$$$=\frac{{lnx}}{{n}+\mathrm{1}}{x}^{{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{{x}} {ln}\left({u}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{u}\right){du}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\left\{\frac{{lnx}}{{n}+\mathrm{1}}{x}^{{n}+\mathrm{1}} −\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$$=−{lnx}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=−{lnx}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{lnx}}{{x}}\left(−{x}−\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\right) \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=−{lnx}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+{lnx}\left(\:\mathrm{1}+\left(\mathrm{1}−{x}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\right). \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 21/Jul/19
$${we}\:{have}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\right){x}^{{n}} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}} \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\left(\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:\:−{x}\right) \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\frac{\mathrm{1}}{{x}}{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:+\mathrm{1}\:=\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}−\mathrm{1}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:+\mathrm{1}\:\:{let}\: \\ $$$${decompose}\:\:{F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}\left({t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)\:=\frac{{a}}{{t}}\:+\frac{{b}}{{t}+\mathrm{1}}\:+\frac{{c}}{\left({t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${a}\:={lim}_{{t}\rightarrow\mathrm{0}} \:{tF}\left({t}\right)\:=\mathrm{1} \\ $$$${c}\:={lim}_{{t}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:{F}\left({t}\right)\:=−\mathrm{1}\:\Rightarrow{F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:+\frac{{b}}{{t}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\left({t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{t}\rightarrow+\infty} \:{tF}\left({t}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}+{b}\:\Rightarrow{b}=−\mathrm{1}\:\Rightarrow\:{F}\left({t}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}−\frac{\mathrm{1}}{{t}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\left({t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:\left\{\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}−\mathrm{1}\right\}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 21/Jul/19
$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}\:+\mathrm{1}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({x}\right)\:= \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 22/Jul/19
$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have}\:{f}^{'} \left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{−{t}}{\mathrm{1}−{xt}}{lnt}\:{dt}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{tlnt}}{\mathrm{1}−{xt}}{dt}\:=−{g}\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${g}\left({x}\right)=−{f}^{'} \left({x}\right)\:\:{the}\:{function}\:{f}\:{is}\:{known}\:\:{rest}\:{to}\:{calculate}\:{f}^{'} \left({x}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{we}\:{have}\:{f}^{'} \left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{tlnt}}{{xt}−\mathrm{1}}\:{dt}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{lnt}}{{x}−\frac{\mathrm{1}}{{t}}}\:{dt}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{x}−\frac{\mathrm{1}}{{t}}}\right)^{\left({n}−\mathrm{1}\right)} {lntdt}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{{t}}\right)^{{n}} }{lntdt} \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)=\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{t}^{{n}} {lnt}}{\left({xt}−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{dt} \\ $$