Question Number 157665 by mnjuly1970 last updated on 26/Oct/21
Answered by Raxreedoroid last updated on 26/Oct/21
$${I}=\int_{\mathrm{0}} ^{\:\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \mathrm{ln}\:\left(\mathrm{1}−{x}\right) \\ $$$${dw}={x}^{{n}−\mathrm{1}} ,{w}=\frac{{x}^{{n}} }{{n}} \\ $$$${t}=\mathrm{ln}\:\left(\mathrm{1}−{x}\right),{dt}=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}{dx} \\ $$$${I}=\left[\frac{{x}^{{n}} \mathrm{ln}\:\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{n}}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\int\frac{{x}^{{n}} }{\mathrm{1}−{x}}{dx}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$$${u}=\mathrm{1}−{x},{x}=\mathrm{1}−{u},{dx}=−{du} \\ $$$${I}=\left[\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} \mathrm{ln}\:\left({u}\right)}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\int\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} }{{u}}{du}\right]_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \\ $$$${I}=\left[\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} \mathrm{ln}\:\left({u}\right)}{{n}}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\int\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}−\mathrm{1}} +\frac{\mathrm{1}}{{u}}{du}\right]_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \\ $$$${I}=\left[\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} \mathrm{ln}\:\left({u}\right)}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\left(\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} }{{n}}+\mathrm{ln}\:{u}\right)\right]_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \\ $$$${I}=\left[\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} {n}\mathrm{ln}\:\left({u}\right)−\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} −{n}\mathrm{ln}\:{u}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right]_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \\ $$$${I}=\underset{{u}\rightarrow\mathrm{0}^{+} } {\mathrm{lim}}\frac{\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} {n}\mathrm{ln}\:\left({u}\right)−\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} −{n}\mathrm{ln}\:{u}}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${I}=\underset{{u}\rightarrow\mathrm{0}^{+} } {\mathrm{lim}}\frac{{n}\mathrm{ln}\:{u}\left(\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} −\mathrm{1}\right)−\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${I}=\underset{{u}\rightarrow\mathrm{0}^{+} } {\mathrm{lim}}\left(\frac{\mathrm{ln}\:{u}\left(\left(\mathrm{1}−{u}\right)^{{n}} −\mathrm{1}\right)}{{n}}\right)−\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${I}=−\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\varphi\left({n}\right)=−\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}=−\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{3}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{3}} }−\mathrm{2}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${S}=\zeta\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{2}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}{n}^{\mathrm{3}} }=\zeta\left(\mathrm{3}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\zeta\left(\mathrm{3}\right) \\ $$$${S}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\zeta\left(\mathrm{3}\right) \\ $$$$ \\ $$
Answered by qaz last updated on 26/Oct/21
$$\mathrm{S}=\underset{\mathrm{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{x}\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{x}\right)}{\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{1}−\mathrm{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}}{\mathrm{x}}\mathrm{dx}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\mathrm{1}−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}}{\:\mathrm{1}−\mathrm{x}}\mathrm{dx}…………….\frac{\mathrm{1}−\mathrm{x}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\rightarrow\mathrm{x} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{2n}} \mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{xdx}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\underset{\mathrm{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}} \mathrm{ln}^{\mathrm{2}} \mathrm{xdx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{\mathrm{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{2}!}{\left(\mathrm{2n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\underset{\mathrm{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \mathrm{2}!}{\left(\mathrm{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}^{−\mathrm{3}} \right)\zeta\left(\mathrm{3}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\zeta\left(\mathrm{3}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{8}}\zeta\left(\mathrm{3}\right) \\ $$