Question Number 78707 by abdomathmax last updated on 20/Jan/20
$${let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx}\:{and}\: \\ $$$${J}\:=\int\int_{\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]^{\mathrm{2}} } \:\:\:\:\frac{{x}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+{xy}\right)}{dxdy} \\ $$$${find}\:{J}\:{by}\:{two}\:{method}\:{and}\:{deduce}\:\:{the}\:{valueof}\:{I} \\ $$
Answered by mind is power last updated on 20/Jan/20
$$\mathrm{J}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{xy}}\mathrm{dydx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\left[\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{xy}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{I} \\ $$$$\mathrm{By}\:\mathrm{Fubini} \\ $$$$\mathrm{J}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{xy}\right)}\mathrm{dxdy} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{xy}\right)}=\frac{−\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }.\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{xy}^{} }+\frac{\mathrm{cx}+\mathrm{d}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{d}=\frac{\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{c}\Rightarrow\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{xy}\right)}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }\left(\frac{−\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{xy}}+\frac{\mathrm{x}+\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$\mathrm{J}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }\left(\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left\{\frac{−\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{xy}}+\frac{\mathrm{x}+\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right\}\mathrm{dx}\right)\mathrm{dy}\right) \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }\left\{\left[_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{xy}\right)+\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{2}}+\mathrm{yarctan}\left(\mathrm{x}\right)\right]\mathrm{dy}\right.\right. \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left\{\frac{−\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{y}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \right)}+\frac{\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }.\frac{\pi}{\mathrm{4}}\right\}\mathrm{dy} \\ $$$$\mathrm{J}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{y}\right)\mathrm{dy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dy}=\mathrm{I}\:\mathrm{by}\:\mathrm{first} \\ $$$$\Rightarrow−\mathrm{I}+\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}}.\frac{\pi}{\mathrm{4}}+\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left[\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{2}}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\mathrm{I} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{2I}=\frac{\pi\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{4}}\Rightarrow\mathrm{I}=\frac{\pi\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{8}}=\pi\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}} \right) \\ $$$$ \\ $$