Question Number 36737 by abdo mathsup 649 cc last updated on 04/Jun/18
$${let}\:{g}\left(\theta\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\:\mathrm{1}−{e}^{{i}\theta} {x}^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$$${find}\:{a}\:{simple}\:{form}\:{of}\:{g}\left(\theta\right)\:.\theta\:{from}\:{R}. \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 05/Aug/18
$${we}\:{have}\:{proved}\:{that}\:{for}\:\mid{z}\mid=\mathrm{1} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}−{zx}\right){dx}\:=\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{z}}\right){ln}\left(\mathrm{1}−{z}\right)−\mathrm{1}\:{but} \\ $$$${g}\left(\theta\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}−\left({e}^{{i}\frac{\theta}{\mathrm{2}}} {x}\right)^{\mathrm{2}} \right){dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} {x}\right){dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}\:+{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} {x}\right){dx}\:{but} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} {x}\right){dx}=\left(\mathrm{1}−{e}^{−\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right){ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right)−\mathrm{1}\:{let} \\ $$$${find}\:{f}\left({z}\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}+{zx}\right){dx}\:{we}\:{have}\:{for}\:\mid{u}\mid<\mathrm{1} \\ $$$${ln}^{'} \left(\mathrm{1}+{u}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{u}}=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {u}^{{n}} \:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{u}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}{u}^{{n}+\mathrm{1}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{u}^{{n}} }{{n}} \\ $$$$\Rightarrow{ln}\left(\mathrm{1}+{zx}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{z}^{{n}} \:{x}^{{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$${f}\left({z}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \frac{{z}^{{n}} }{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}} {dx} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \frac{{z}^{{n}} }{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\right){z}^{{n}} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{z}^{{n}} }{{n}}\:−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{z}^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)\:−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{2}} \:\frac{{z}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{{z}}\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{z}^{{n}} }{{n}} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{{z}}\left\{\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{z}^{{n}} }{{n}}\:−{z}\right\} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{{z}}{ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)−\mathrm{1} \\ $$$$=\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{z}}\right){ln}\left(\mathrm{1}+{z}\right)−\mathrm{1}\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}+{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} {x}\right){dx}\:=\left(\mathrm{1}+{e}^{−\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right){ln}\left(\mathrm{1}+{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right)−\mathrm{1}\Rightarrow \\ $$$${g}\left(\theta\right)\:=\left(\mathrm{1}−{e}^{\frac{{i}\pi}{\mathrm{2}}} \right){ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right)\:+\left(\mathrm{1}+{e}^{−\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right){ln}\left(\mathrm{1}+{e}^{−\frac{{i}\theta}{\mathrm{2}}} \right)−\mathrm{2} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$