Question Number 90308 by Tony Lin last updated on 22/Apr/20 | ||
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$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{x}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{x}}{\mathrm{1}−{x}}\right){dx} \\ $$ | ||
Commented bymathmax by abdo last updated on 23/Apr/20 | ||
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$${I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{{x}}{dx}−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}{dx}\:\:{we}\:{hsve} \\ $$ $${ln}^{'} \left(\mathrm{1}+{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:{x}^{{n}} \:\Rightarrow{ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {x}^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}\:+{c}\left({c}=\mathrm{0}\right) \\ $$ $$=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} {x}^{{n}} }{{n}}\:\:\:\:\left(\:\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\right)\:\Rightarrow\frac{{ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{{x}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}} \\ $$ $${also}\:\:\frac{{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{{x}}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left(−{x}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}} \\ $$ $$\Rightarrow\:{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left\{\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\right\}{dx} \\ $$ $$\left.=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{{n}}\left(\:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} +\mathrm{1}\right){x}^{{n}} \right){dx} \\ $$ $$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\left(\mathrm{2}\right)\:{x}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:{dx} \\ $$ $$=\mathrm{2}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:{dx} \\ $$ $$=\mathrm{2}\:\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{2}\right)}\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)} \\ $$ $${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)}\:\Rightarrow\frac{{S}_{{n}} }{\mathrm{2}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right)} \\ $$ $$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}}\right\}\:\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}} \\ $$ $$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:={H}_{{n}+\mathrm{1}} \\ $$ $$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}+....+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$ $$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}+....+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−....−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}} \\ $$ $$={H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{H}_{{n}} \:\Rightarrow\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{S}_{{n}} ={H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{H}_{{n}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{H}_{{n}+\mathrm{1}} \\ $$ $$={ln}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({ln}\left({n}\right)+\gamma\:+{ln}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\right) \\ $$ $$={ln}\left(\frac{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}{\sqrt{{n}^{\mathrm{2}} \:+{n}}}\right)\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\rightarrow{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:\Rightarrow{S}_{{n}} \rightarrow\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$ | ||
Answered by TANMAY PANACEA. last updated on 22/Apr/20 | ||
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$${ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)={x}−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}+\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}}−\frac{{x}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{4}}+... \\ $$ $${ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)=−{x}−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}−\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}}−\frac{{x}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{4}}... \\ $$ $${ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{x}}{\mathrm{1}−{x}}\right)=\mathrm{2}\left({x}+\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}}+\frac{{x}^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}}+...\right) \\ $$ $$\frac{\mathrm{1}}{{x}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{x}}{\mathrm{1}−{x}}\right)=\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}+\frac{{x}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{5}}+\frac{{x}^{\mathrm{6}} }{\mathrm{6}}+..\right) \\ $$ $$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{x}}{ln}\left(\frac{\mathrm{1}+{x}}{\mathrm{1}−{x}}\right){dx} \\ $$ $$=\mathrm{2}\mid{x}+\frac{{x}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}^{\mathrm{2}} }+\frac{{x}^{\mathrm{5}} }{\mathrm{5}^{\mathrm{2}} }+\frac{{x}^{\mathrm{7}} }{\mathrm{7}^{\mathrm{2}} }+...\mid_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$ $$=\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}^{\mathrm{2}} }+...\right) \\ $$ $$=\mathrm{2}×\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$ | ||
Commented byTony Lin last updated on 23/Apr/20 | ||
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$${thanks}\:{sir} \\ $$ | ||
Commented byTANMAY PANACEA. last updated on 23/Apr/20 | ||
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$${most}\:{welcome}\:{sir} \\ $$ | ||
Commented bystudent work last updated on 23/Apr/20 | ||
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$$\mathrm{why}\:\mathrm{the}\:\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}^{\mathrm{2}} }+.....\right)\:\:\mathrm{eqval}\:\mathrm{to}\:\mathrm{2}×\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}} \\ $$ | ||