Question Number 148249 by mnjuly1970 last updated on 26/Jul/21
Commented by Kamel last updated on 26/Jul/21
$$ \\ $$$$\Omega_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{{cos}\left(\pi{x}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)….\left({x}^{\mathrm{2}} +{n}^{\mathrm{2}} \right)}{dx} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)….\left({x}^{\mathrm{2}} +{n}^{\mathrm{2}} \right)}=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{{a}_{{k}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}…\left({E}\right) \\ $$$${X}={x}^{\mathrm{2}} ,\:\left({E}\right)×\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right),\:{X}\rightarrow−{k}^{\mathrm{2}} \\ $$$${a}_{{k}} =\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{2}^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)…\left(\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)\left(\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)\left(\left({k}+\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)…\left({n}^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {k}!\left(\mathrm{2}{k}\right)}{\left({k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)!\left({n}−{k}\right)!\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{3}\right)…\left({n}+{k}\right)} \\ $$$$\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{2}\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {k}^{\mathrm{2}} }{\left({n}+{k}\right)!\left({n}−{k}\right)!} \\ $$$$\Omega_{{n}} =\mathrm{2}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{{k}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} }{\left({n}+{k}\right)!\left({n}−{k}\right)!}\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{{cos}\left(\pi{x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{{cos}\left(\pi{x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} }{dx}=\frac{\pi}{\mathrm{2}{k}}{e}^{−{k}\pi} \\ $$$$\therefore\:\Omega_{{n}} =\pi\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {ke}^{−{k}\pi} }{\left({n}+{k}\right)!\left({n}−{k}\right)!} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\therefore\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{+\infty} \frac{{cos}\left(\pi{x}\right)}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)….\left({x}^{\mathrm{2}} +{n}^{\mathrm{2}} \right)}{dx}=\pi\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {ke}^{−{k}\pi} }{\left({n}+{k}\right)!\left({n}−{k}\right)!} \\ $$
Answered by Olaf_Thorendsen last updated on 26/Jul/21
$$\Omega\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{cos}\left(\pi{x}\right)}{\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx} \\ $$$$\Omega\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{\infty} \frac{\mathrm{cos}\left(\pi{x}\right)}{\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx} \\ $$$$\mathrm{Let}\:{f}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{cos}\left(\pi{x}\right)}{\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx} \\ $$$$\mathrm{The}\:\mathrm{function}\:{f}\:\mathrm{is}\:\mathrm{even}\:: \\ $$$$\Omega\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{Re}\int_{−\infty} ^{\infty} \frac{{e}^{{i}\pi{x}} }{\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx}\:=\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{\infty} \frac{{e}^{{i}\pi{x}} }{\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{k}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx} \\ $$$$\Omega\:=\:\mathrm{2}{i}\pi\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{Res}\left({f}\left({x}\right),{ik}\right) \\ $$$$\mathrm{Res}\left({f}\left({x}\right),{ik}\right)\:=\:\underset{{x}\rightarrow\mathrm{i}{k}} {\mathrm{lim}}\left(\frac{{e}^{{i}\pi{x}} }{\left({x}+{ik}\right)\underset{\underset{{p}\neq{k}} {{p}=\mathrm{1}}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({x}^{\mathrm{2}} +{p}^{\mathrm{2}} \right)}\right) \\ $$$$\mathrm{Res}\left({f}\left({x}\right),{ik}\right)\:=\:\frac{{e}^{−{k}\pi} }{\left(\mathrm{2}{ik}\right)\underset{\underset{{p}\neq{k}} {{p}=\mathrm{1}}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({p}^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\Omega\:=\:\:\pi\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{{e}^{−{k}\pi} }{{k}\underset{\underset{{p}\neq{k}} {{p}=\mathrm{1}}} {\overset{{n}} {\prod}}\left({p}^{\mathrm{2}} −{k}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$…{to}\:{be}\:{continued}… \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 26/Jul/21
$$\Psi_{\mathrm{n}} \:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{cos}\left(\pi\mathrm{x}\right)}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)…..\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)}\mathrm{dx}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{2}\Psi_{\mathrm{n}} =\mathrm{Re}\left(\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\mathrm{x}} }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)….\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)}\mathrm{dx}\right) \\ $$$$\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\mathrm{z}} }{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \right)….\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)}\:\Rightarrow \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\mathrm{z}} }{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{2i}\right)….\left(\mathrm{z}−\mathrm{ni}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{ni}\right)} \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{poles}\:\mathrm{of}\:\varphi\:\mathrm{are}\:\overset{−} {+}\mathrm{ki}\:\:\:\:\mathrm{rdsidus}\:\mathrm{theorem}\:\mathrm{give} \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\mathrm{2i}\pi\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{ki}\right) \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\mathrm{z}} }{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{2i}\right)….\left(\mathrm{z}−\mathrm{ni}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}+\mathrm{2i}\right)…\left(\mathrm{z}+\mathrm{ni}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\mathrm{z}} }{\left(\mathrm{z}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{2i}\right)….\left(\mathrm{z}−\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{z}−\mathrm{ki}\right)\left(\mathrm{z}−\left(\mathrm{k}+\mathrm{1}\right)\mathrm{i}\right)…\left(\mathrm{z}−\mathrm{ni}\right)\prod_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{z}+\mathrm{ki}\right)} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{Res}\left(\varphi,\mathrm{ki}\right)=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi\left(\mathrm{ki}\right)} }{\left(\mathrm{ki}−\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{ki}−\mathrm{2i}\right)….\left(\mathrm{i}\right)\left(−\mathrm{i}\right)…\left(\mathrm{ki}−\mathrm{ni}\right)\prod_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{2ki}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{e}^{−\pi\mathrm{k}} }{\mathrm{i}^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(−\mathrm{i}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!\left(\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{n}!} \\ $$$$=\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \mathrm{i}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{i}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!\mathrm{n}!} \\ $$$$=\mathrm{i}\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \:\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!\mathrm{n}!}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\varphi\left(\mathrm{z}\right)\mathrm{dz}\:=\frac{\mathrm{2i}\pi}{\mathrm{n}!×\mathrm{2}^{\mathrm{n}} }\mathrm{i}\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!} \\ $$$$=−\frac{\pi}{\mathrm{n}!\:\mathrm{2}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{n}!\mathrm{2}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!}=\mathrm{2}\Psi_{\mathrm{n}} \:\Rightarrow \\ $$$$\Psi_{\mathrm{n}} =\frac{\pi}{\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \mathrm{n}!}\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{k}\pi} }{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!} \\ $$