Let ∣ x ∣ < 1 and ( 0 < a < 1 ) .
If f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n + 1 n 6 x n and g ( x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n + 1 n 5 x n and the region R bounded by f and g on [ a − 1 , 0 ] has area A R = a 6 1 1 a 6 − 9 4 a 5 − 9 6 0 9 a 4 + 3 1 7 0 a 3 + 3 3 0 a 2 − 4 8 8 a + 1 1 9 − 2 ln ( a ) , find the real value of a and express the answer as the value of A R to six decimal places.
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Let ∣ x ∣ < 1 and ( 0 < a < 1 ) .
∑ n = 1 ∞ n x n = ∑ j = 1 ∞ ∑ n = j ∞ x n = 1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ x j = 1 − x 1 ( x ) 1 − x 1 = ( 1 − x ) 2 x
( x − 1 x ) ( x 1 ) ( x − 1 x ) = ( x − 1 ) 2 x .
∑ n = 1 ∞ n 2 x n = ∑ j = 1 ∞ ( ∑ n = j ∞ n x n ) = 1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ ( j x j ) + ( 1 − x ) 2 x ∑ j = 1 ∞ x j =
( 1 − x 1 ) ( ( 1 − x ) 2 x ) + ( ( 1 − x ) 2 x ) ( 1 − x x ) = ( 1 − x ) 3 x 2 + x .
∑ n = 1 ∞ n 3 x n = ∑ j = 1 ∞ ∑ n = j ∞ n 2 x n = 1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ j 2 x j + ( 1 − x ) 2 2 x ∑ j = 1 ∞ j x j + ( 1 − x ) 3 x 2 + x ∑ j = 1 ∞ x j = ( 1 − x 1 ) ( ( 1 − x ) 3 x 2 + x ) + ( ( 1 − x ) 2 2 x ) ( ( 1 − x ) 2 x ) + ( ( 1 − x ) 3 x 2 + x ) ( 1 − x x ) = ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x .
∑ n = 1 ∞ n 4 x n = ∑ j = 1 ∞ ∑ n = j ∞ n 3 x n = 1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ j 3 x j + ( 1 − x ) 2 3 x ∑ j = 1 ∞ j 2 x j + ( 1 − x ) 3 3 ( x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ j x j + ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x ∑ j = 1 ∞ x j =
= ( 1 − x 1 ) ( ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x ) + ( ( 1 − x ) 2 3 x ) ( ( 1 − x ) 3 x 2 + x ) + ( ( 1 − x ) 3 3 ( x 2 + x ) ) ( ( 1 − x ) 2 x ) + ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x ( 1 − x x ) = ( 1 − x ) 5 x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x .
∑ n = 1 ∞ n 5 x n = ∑ j = 1 ∞ ∑ n = j ∞ n 4 x n =
1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ j 4 x j + ( 1 − x ) 2 4 x ∑ j = 1 ∞ j 3 x j + ( 1 − x ) 3 6 ( x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ j 2 x j + 4 ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x ∑ j = 1 ∞ j x j
+ ( 1 − x ) 5 x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ∑ j = 1 ∞ x j =
1 − x 1 ( ( 1 − x ) 5 x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 2 4 x ( ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 3 6 ( x 2 + x ) ( ( 1 − x ) 3 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 4 4 ( x 3 + 4 x 2 + x ) ( ( 1 − x ) 2 x ) + ( ( 1 − x ) 5 x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ) ( 1 − x x )
= ( 1 − x ) 6 x 5 + 2 6 x 4 + 6 6 x 3 + 2 6 x 2 + x
⟹ g ( x ) = n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n + 1 n 5 x n = − n = 1 ∑ ∞ n 5 ( − x ) n =
− ( ( 1 + x ) 6 − x 5 + 2 6 x 4 − 6 6 x 3 + 2 6 x 2 − x ) = ( 1 + x ) 6 x 5 − 2 6 x 4 + 6 6 x 3 − 2 6 x 2 + x
∑ n = 1 ∞ n 6 x n = ∑ j = 1 ∞ ∑ n = j ∞ n 5 x n = 1 − x 1 ∑ j = 1 ∞ j 5 x j + ( 1 − x ) 2 5 x ∑ j = 1 ∞ j 4 x j + ( 1 − x ) 3 1 0 ( x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ j 3 x j + ( 1 − x ) 4 1 0 ( x 3 + 4 x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ j 2 x j
+ ( 1 − x ) 5 5 ( x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ j x j + ( ( 1 − x ) 6 x 5 + 2 6 x 4 + 6 6 x 3 + 2 6 x 2 + x ) ∑ j = 1 ∞ x j =
1 − x 1 ( ( 1 − x ) 6 x 5 + 2 6 x 4 + 6 6 x 3 + 2 6 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 2 5 x ( ( 1 − x ) 5 x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 3 1 0 ( x 2 + x ) ( ( 1 − x ) 4 x 3 + 4 x 2 + x )
+ ( 1 − x ) 4 1 0 ( x 3 + 4 x 2 + x ) ( ( 1 − x ) 3 x 2 + x ) + ( 1 − x ) 5 5 ( x 4 + 1 1 x 3 + 1 1 x 2 + x ) ( ( 1 − x ) 2 x ) + ( ( 1 − x ) 6 x 5 + 2 6 x 4 + 6 6 x 3 + 2 6 x 2 + x ) ( 1 − x x ) .
= ( 1 − x ) 7 x 6 + 5 7 x 5 + 3 0 2 x 4 + 3 0 2 x 3 + 5 7 x 2 + x
⟹ f ( x ) = n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n + 1 n 5 x n = − n = 1 ∑ ∞ n 6 ( − x ) n =
− ( ( 1 + x ) 7 x 6 − 5 7 x 5 + 3 0 2 x 4 − 3 0 2 x 3 + 5 7 x 2 − x ) = ( 1 + x ) 7 − x 6 + 5 7 x 5 − 3 0 2 x 4 + 3 0 2 x 3 − 5 7 x 2 + x
Let u = 1 + x ⟹ d u = d x ⟹
∫ a − 1 0 g ( x ) d x = − ∫ 1 a u 6 u 5 − 3 1 u 4 + 1 8 0 u 3 − 3 9 0 u 2 + 3 6 0 u − 1 2 0 d u =
− ∫ 1 a u 1 − 3 1 u − 2 + 1 8 0 u − 3 − 3 9 0 u − 4 + 3 6 0 u − 5 − 1 2 0 u − 6 d u =
− ( ln ( u ) + u 3 1 − u 2 9 0 + u 3 1 3 0 − u 4 9 0 + u 5 2 4 ) ∣ 1 a = a 5 5 a 5 − 3 1 a 4 + 9 0 a 3 − 1 3 0 a 2 + 9 0 a − 2 4 − ln ( a )
and,
∫ a − 1 0 f ( x ) d x = ∫ a − 1 0 − ( 1 + x ) 7 − x 6 + 5 7 x 5 − 3 0 2 x 4 + 3 0 2 x 3 − 5 7 x 2 + x d x = ∫ 1 a u 7 u 6 − 6 3 u 5 + 6 0 2 u 4 − 2 1 0 0 u 3 + 3 3 6 0 u 2 − 2 5 2 0 u + 7 2 0 d u = ∫ 1 a u 1 − 6 3 u − 2 + 6 0 2 u − 3 − 2 1 0 0 u − 4 + 3 3 6 0 u − 5 − 2 5 2 0 u − 6 + 7 2 0 u − 7 d u = ( ln ( u ) + u 6 3 − u 2 3 0 1 + u 3 7 0 0 − u 4 8 4 0 + u 5 5 0 4 − u 6 1 2 0 ) ∣ 1 a = ln ( a ) + a 6 3 − a 2 3 0 1 + a 3 7 0 0 − a 4 8 4 0 + a 5 5 0 4 − a 6 1 2 0 − 6 = − ( a 6 6 a 6 − 6 3 a 5 + 3 0 1 a 4 − 7 0 0 a 3 + 8 4 0 a 2 − 5 0 4 a + 1 2 0 − ln ( a ) )
⟹
∫ a − 1 0 g ( x ) − f ( x ) d x = a 6 1 1 a 6 − 9 4 a 5 + 3 9 1 a 4 − 8 3 0 a 3 + 9 3 0 a 2 − 5 2 8 a + 1 2 0 − 2 ln ( a ) = a 6 1 1 a 6 − 9 4 a 5 − 9 6 0 9 a 4 + 3 1 7 0 a 3 + 3 3 0 a 2 − 4 8 8 a + 1 1 9 − 2 ln ( a )
⟹ a 6 1 0 0 0 0 a 4 − 4 0 0 0 a 3 + 6 0 0 a 2 − 4 0 a + 1 = 0 ⟹ ( 1 0 a − 1 ) 4 = 0 ⟹ a = 1 0 1 ⟹ ∫ 1 0 − 9 0 g ( x ) − f ( x ) d x = 7 5 7 0 8 1 7 5 . 6 0 5 1 7 0 to six decimal places.
The area could have been obtained using f ∗ ( x ) = ∑ n = 1 ∞ n 6 x n and g ∗ ( x ) = ∑ n = 1 ∞ n 5 x n on [ 0 , 1 − a ] . Note the symmetry about the origin above.