Question Number 144820 by mathdanisur last updated on 29/Jun/21
Answered by mathmax by abdo last updated on 30/Jun/21
$$\mathrm{I}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{x}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}\right)}\right)}{\mathrm{x}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}\right)}\mathrm{dx}\:\:\mathrm{changement}\:\mathrm{x}=\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}\:\mathrm{give} \\ $$$$\mathrm{I}=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{sint}.\mathrm{cost}\right)}{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \mathrm{tcos}^{\mathrm{2}} \mathrm{t}}\left(\mathrm{2sint}\right)\mathrm{cost}\:\mathrm{dt} \\ $$$$=\mathrm{4}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{sin}\left(\mathrm{2t}\right)\right)}{\mathrm{sin}\left(\mathrm{2t}\right)}\mathrm{dt}=_{\mathrm{2t}=\mathrm{u}} \:\:\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{sinu}\right)}{\mathrm{sinu}}\mathrm{du} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\frac{\mathrm{log}\left(\mathrm{1}+\mathrm{asin}\left(\mathrm{u}\right)\right.}{\mathrm{sin}\left(\mathrm{u}\right)}\mathrm{du}\:\mathrm{with}\:\mathrm{o}<\mathrm{a}<\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \:\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{1}+\mathrm{asinu}}=_{\mathrm{tan}\left(\frac{\mathrm{u}}{\mathrm{2}}\right)=\mathrm{y}} \:\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{2dy}}{\left(\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{a}\frac{\mathrm{2y}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} }\right)} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{2dy}}{\mathrm{1}+\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2ay}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{2dy}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2ay}+\mathrm{1}} \\ $$$$\Delta^{'} \:=\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}<\mathrm{0}\:\:\Rightarrow\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{2dy}}{\mathrm{y}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2ay}\:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{2dy}}{\left(\mathrm{y}+\mathrm{a}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }=_{\mathrm{y}+\mathrm{a}=\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\mathrm{z}} \:\:\int_{\frac{\mathrm{a}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dz}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\left[\mathrm{arctanz}\right]_{\frac{\mathrm{a}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}} ^{\infty} \:=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:−\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{a}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\pi\mathrm{arcsina}−\mathrm{2}\int\:\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{a}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\right)\mathrm{da}\:+\mathrm{C} \\ $$$$\int\:\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{a}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} }}\right)\mathrm{da}=_{\mathrm{a}=\mathrm{sint}} \:\:\int\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{cost}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{sint}}{\mathrm{cost}}\right)\mathrm{cost}\:\mathrm{dt} \\ $$$$=\int\:\mathrm{t}\:\mathrm{dt}\:=\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\pi\mathrm{arcsina}−\left(\mathrm{arcsina}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{C} \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{C}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{f}\left(\mathrm{a}\right)=\pi\:\mathrm{arcsin}\left(\mathrm{a}\right)−\left(\mathrm{arcsina}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{I}=\mathrm{2f}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)=\mathrm{2}\pi\mathrm{arcsin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)−\left(\mathrm{arcsin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{2}\pi×\frac{\pi}{\mathrm{6}}−\left(\frac{\pi}{\mathrm{6}}\right)^{\mathrm{2}} \:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}}=\frac{\mathrm{11}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{36}} \\ $$