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sin2(v)dv ! du (x = tan(u), y = tan(v)) =1 2 Z π/4 0  log cos(u

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Academic year: 2021

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Problem 12107

(American Mathematical Monthly, Vol.126, April 2019) Proposed by C. I. V˘alean (Romania).

Prove

Z 1 0

Z 1 0

1

√1 + x2p1 + y2(1 − x2y2)dx dy = G whereG is the Catalan’s constantP

n=1(−1)n−1/(2n − 1)2.

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Solution. We have that Z 1

0

Z 1 0

dx dy

√1 + x2p1 + y2(1 − x2y2) = Z π/4

0

Z π/4 0

cos(u) cos(v) cos2(u) − sin2(v)dv

!

du (x = tan(u), y = tan(v))

=1 2

Z π/4 0



log cos(u) + sin(v) cos(u) − sin(v)

π/4 v=0

du

=1 2

Z π/4 0

log cos(u) +12 cos(u) −12

! du = 1

4 Z π/4

−π/4

log cos(u) +12 cos(u) −12

! du

=1 4

Z π/2 0

log cos(s) + sin(s) + 1 cos(s) + sin(s) − 1



ds 

u = s −π 4



=1 2

Z 1 0

log

1+t t(1−t)



1 + t2 dt (t = tan(s/2))

= −1 2

Z 1 0

log(t) 1 + t2dt −1

2 Z 1

0

log

1−t1+t

 1 + t2 dt

= −1 2

Z 1 0

log(t) 1 + t2dt −1

2 Z 1

0

log(r) 1 + r2 dr



r = 1 − t 1 + t



= − Z 1

0

log(t)

1 + t2dt = [− log(t) arctan(t)]10+ Z 1

0

arctan(t) t dt

= Z 1

0

X

n=1

(−1)n−1t2n−2 2n − 1 =

X

n=1

(−1)n−1 2n − 1

Z 1 0

t2n−2dt

= X n=1

(−1)n−1 (2n − 1)2 = G

and we are done. 

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