Question Number 32480 by prof Abdo imad last updated on 25/Mar/18
$${find}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\alpha} \:\sqrt{{tanx}}\:{dx}\:{with}\:\mathrm{0}<\alpha<\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:. \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 14/Apr/18
$${let}\:{put}\:{I}\:\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\alpha} \:\sqrt{{tanx}}\:{dx}\:\:.{changement}\:\sqrt{{tanx}}\:={t} \\ $$$${give}\:{x}\:={arctan}\left({t}^{\mathrm{2}} \right)\:\:{and}\: \\ $$$${I}\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:\:\:{t}\:.\frac{\mathrm{2}{tdt}}{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:\frac{\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:{dt} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:\frac{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:{dt}\:\:{by}\:{parts}\:{u}\:=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:{and} \\ $$$${v}^{'} \:=\:\:\frac{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} }\:\Rightarrow\:{I}\:=\:\left[\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:{ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \\ $$$$−\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:\frac{−\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} }\:{ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)\:{dt} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{{tan}\alpha}}\:{ln}\left(\:\mathrm{1}\:+{tan}^{\mathrm{2}} \alpha\right)\:+\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)}{{t}^{\mathrm{2}} }\:{dt} \\ $$$${if}\:\:\mathrm{0}<\:\alpha<\:\frac{\pi}{\mathrm{4}}\:\:\Rightarrow\:\mathrm{0}<\sqrt{{tan}\alpha}<\mathrm{1}\:\:{so}\:{let}\:{developp} \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)\:\:{we}\:{have}\:\:{ln}\left(\mathrm{1}\:+{u}\right)^{'} \:=\Sigma\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {u}^{{n}} \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{u}\right)\:=\Sigma\:_{{n}\geqslant\mathrm{0}} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {u}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{u}^{{n}} }{{n}} \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{x}^{\mathrm{4}{n}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$$\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)}{{t}^{\mathrm{2}} }\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{t}^{\mathrm{4}{n}−\mathrm{2}} }{{n}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{4}} \right)}{{t}^{\mathrm{2}} }\:{dt}\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\sqrt{{tan}\alpha}} \:\:{t}^{\mathrm{4}{n}−\mathrm{2}} {dt} \\ $$$$=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}−\mathrm{1}}\:\left({tan}\alpha\right)^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \:{let}\:{put} \\ $$$${S}\left({x}\right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}−\mathrm{1}}\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \:{let}\:{find}\:{S}\left({x}\right) \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:{S}\left({x}\right)\:=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{\left(\mathrm{4}{n}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{4}{n}\right)}\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left(\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}−\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}}\right)\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{4}{n}−\mathrm{1}}\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \:\:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:{x}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$…{be}\:{continued}… \\ $$