Question Number 124827 by mnjuly1970 last updated on 06/Dec/20
$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:….\:{nice}\:\:\:{calculus}\:… \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:{prove}\:{that}:: \\ $$$$\:\:\:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{log}\left(\mathrm{1}+{tan}\left({x}\right)\right)}{{tan}\left({x}\right)}{dx}=\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}\:\checkmark \\ $$$$ \\ $$
Answered by mindispower last updated on 06/Dec/20
$${f}\left({t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{t}.{tan}\left({x}\right)\right)}{{tan}\left({x}\right)}{dx} \\ $$$${q}={f}\left(\mathrm{1}\right),{q} \\ $$$${f}'\left({t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{dx}}{\mathrm{1}+{t}.{tan}\left({x}\right)}=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{cos}\left({x}\right)}{{cos}\left({x}\right)+{tsin}\left({x}\right)}{dx} \\ $$$${cos}\left({x}\right)=\alpha\left({cos}\left({x}\right)+{tsin}\left({x}\right)\right)+\beta\left(−{sin}\left({x}\right)+{tcos}\left({x}\right)\right. \\ $$$$\Rightarrow\alpha+\beta{t}=\mathrm{1} \\ $$$$\alpha{t}−\beta=\mathrm{0} \\ $$$$\alpha=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} },\beta=\frac{{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${f}'\left({t}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {dx}+\frac{{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{−{sin}\left({x}\right)+{tcos}\left({x}\right)}{{cos}\left({x}\right)+{tsin}\left({x}\right)}{dx} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}+\left[\frac{{t}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{ln}\left({cos}\left({x}\right)+{tsin}\left({x}\right)\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}+\frac{{tln}\left({t}\right)}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${f}\left(\mathrm{0}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{otan}\left({x}\right)\right)}{{tan}\left({x}\right)}{dx}=\mathrm{0} \\ $$$${q}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} \right)}+\frac{{tln}\left({t}\right)}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{dt} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)+\underset{{k}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {t}^{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} {ln}\left({t}\right){dt} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}}.\frac{\pi}{\mathrm{4}}+\underset{{k}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}+\mathrm{1}} }{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\pi}{\mathrm{8}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\underset{{k}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} }{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{8}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\underset{{k}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\underset{{k}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{16}}\zeta\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}}\zeta\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}.\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}=\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{tan}\left({x}\right)\right)}{{tan}\left({x}\right)}{dx} \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 06/Dec/20
$${again}\:\:{thank}\:{you} \\ $$$${sir}\:{mindspower} \\ $$$$ \\ $$
Commented by mindispower last updated on 06/Dec/20
$${always}\:{pleasur}\:{sir}\: \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 06/Dec/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{atanx}\right)}{\mathrm{tanx}}\mathrm{dx}\:\mathrm{with}\:\mathrm{a}>\mathrm{0}\Rightarrow\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{tanx}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{atanx}\right)\mathrm{tanx}}\mathrm{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{1}+\mathrm{atanx}}=_{\mathrm{tanx}=\mathrm{t}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{dt}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{at}\right)}\:=_{\mathrm{at}=\mathrm{z}} \:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{a}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\mathrm{a}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{dz}}{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{1}\right)}\:\mathrm{let}\:\mathrm{decompose}\:\mathrm{F}\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{z}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\alpha}{\mathrm{z}+\mathrm{1}}\:+\frac{\beta\mathrm{z}+\mathrm{n}}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\alpha\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:,\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow+\infty} \mathrm{zF}\left(\mathrm{z}\right)=\mathrm{0}=\alpha+\beta\:\Rightarrow\beta=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\: \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{0}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\:=\alpha+\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\mathrm{1}=\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \alpha+\mathrm{n}\:\Rightarrow\mathrm{n}=\mathrm{1}−\frac{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{F}\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{z}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{F}\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{z}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{2z}−\mathrm{2}}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dz} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{z}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{2z}}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right)\mathrm{dz}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\left(\rightarrow\mathrm{z}=\mathrm{au}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\left[\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{z}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{adu}}{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{a}\left(\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)}×\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)}\:\Rightarrow\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{a}\right)+\mathrm{C} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{C}\:\Rightarrow\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{a}\right)\:\mathrm{and}\: \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{tanx}\right)}{\mathrm{tanx}}\mathrm{dx}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{arctan}\left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}}.\frac{\pi}{\mathrm{4}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}} \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 06/Dec/20
$${thank}\:{you}\:{so}\:{much}\:{sir}\:{max}… \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 06/Dec/20
$$\mathrm{you}\:\mathrm{are}\:\mathrm{welcome}\:\mathrm{sir} \\ $$