Question Number 145634 by mathmax by abdo last updated on 06/Jul/21
$$\mathrm{let}\:\mathrm{s}\left(\mathrm{x}\right)=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2x}\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} } \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{explicite}\:\mathrm{s}\left(\mathrm{x}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{s}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$
Answered by Olaf_Thorendsen last updated on 06/Jul/21
$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{x}\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right)^{{n}} } \\ $$$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{x}\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }+\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\right)^{{n}} } \\ $$$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({x}+\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}{n}} } \\ $$$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({x}+\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}{n}} }−\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} }}−\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{S}\left({x}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{S}\left({x}\right){dx}\:=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{dx}}{\left({x}+\sqrt{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \frac{\mathrm{ch}{u}}{\left(\mathrm{sh}{u}+\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{sh}^{\mathrm{2}} {u}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{du} \\ $$$$=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \frac{\mathrm{ch}{u}}{\left(\mathrm{sh}{u}+\mathrm{ch}{u}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{du} \\ $$$$=\:−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \frac{\mathrm{ch}{u}}{\mathrm{2ch}^{\mathrm{2}} {u}+\mathrm{2sh}{u}\mathrm{ch}{u}}{du} \\ $$$$=\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \frac{{du}}{\mathrm{ch}{u}+\mathrm{sh}{u}} \\ $$$$=\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \frac{{du}}{{e}^{{u}} } \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[{e}^{−{u}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({e}^{−\mathrm{sh}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{1}\right)} −\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{2}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}−\mathrm{1} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 07/Jul/21
$$\left.\mathrm{1}\right)\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\frac{\mathrm{x}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}=_{\mathrm{x}=\mathrm{sht}} \:\:\:\frac{\mathrm{sht}}{\mathrm{cht}}=\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{t}} \:−\mathrm{e}^{−\mathrm{t}} }{\mathrm{e}^{\mathrm{t}} +\mathrm{e}^{−\mathrm{t}} }=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{2t}} }{\mathrm{1}+\mathrm{e}^{−\mathrm{2t}} } \\ $$$$=\left(\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{2t}} \right)\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2nt}} \: \\ $$$$=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty\:} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2nt}} −\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\left(\mathrm{2n}+\mathrm{2}\right)\mathrm{t}} \\ $$$$=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2nt}} +\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \mathrm{e}^{−\mathrm{2nt}} \\ $$$$=\mathrm{1}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{e}^{\mathrm{2nt}} }=\mathrm{1}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{e}^{\mathrm{2nlog}\left(\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right)} } \\ $$$$=\mathrm{1}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{x}+\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right)^{\mathrm{2n}} }=\mathrm{1}+\mathrm{2}\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2x}\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{n}} } \\ $$$$=\mathrm{1}+\mathrm{2s}\left(\mathrm{x}\right)\:\Rightarrow\mathrm{2s}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{x}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}−\mathrm{1}\:\Rightarrow\mathrm{s}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{x}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}−\mathrm{1}\right) \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 07/Jul/21
$$\left.\mathrm{2}\right)\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{s}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{xdx}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[\sqrt{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\sqrt{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}−\mathrm{1} \\ $$