Question Number 29978 by abdo imad last updated on 14/Feb/18
$${let}\:{give}\:{x}>\mathrm{0} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{prove}\:{that}\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{{x}} }=\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{nx}+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}\:\:{and}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{find}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{1}}\:. \\ $$
Commented by abdo imad last updated on 16/Feb/18
$$\left.\mathrm{1}\left.\right)\left.\:{for}\:{t}\in\right]\mathrm{0},\mathrm{1}\right]\:\:{t}^{{x}} \:={e}^{{xlnt}} <\mathrm{1}\:\Rightarrow\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{{x}} }=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\left(\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {t}^{{nx}} \right){dt} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{t}^{{nx}} {dt}=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{nx}\:+\mathrm{1}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have}\:{proved}\:{that}\:{A}\left({x}\right)=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{nx}+\mathrm{1}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{{x}} }\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}={A}\left(\mathrm{1}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}}=\left[{ln}\left(\mathrm{1}+{t}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:={ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}={A}\left(\mathrm{2}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }=\left[{arctant}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\frac{\pi}{\mathrm{4}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right){we}\:{have}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{1}}=\:{A}\left(\mathrm{3}\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\: \\ $$$${we}\:{have}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:+\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:{the}\:{ch}.\:{t}=\frac{\mathrm{1}}{{u}}\:{give} \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{u}^{\mathrm{3}} }}\:\frac{{du}}{{u}^{\mathrm{2}} }=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\frac{{du}}{{u}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{{u}}}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{udu}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[{ln}\left(\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\mathrm{2}\:\:\:{the}\:{ch}.\:{t}^{\mathrm{3}} ={u}\:{give} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{u}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{u}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}−\mathrm{1}} {du}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{u}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{u}}{du} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\frac{\pi}{{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}\right)}=\frac{\pi}{\mathrm{3}}\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\:=\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }\:−\:\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\frac{{dt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{3}} }=\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{3}{n}+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{2}\right). \\ $$
Commented by abdo imad last updated on 16/Feb/18
$$\left.{for}\:{Q}\:\mathrm{3}\right)\:{we}\:{have}\:{used}\:{the}\:{result}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{{t}^{{a}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{t}}{dt}=\frac{\pi}{{sin}\left(\pi{a}\right)} \\ $$$${with}\:\mathrm{0}<{a}<\mathrm{1}\:. \\ $$