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(b) More generally, exhibit an infinite sequence of distinct rational exponents s such thatP x∈Q+f (x)−s is rational

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Academic year: 2021

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(1)

Problem 11068

(American Mathematical Monthly, Vol.111, March 2004) Proposed by H. Wilf (USA).

For a rational number x that equals a/b in lowest terms, let f (x) = ab.

(a) Show that

X

x∈Q+

1 f (x)2 = 5

2, where the sum extends over all positive rationals.

(b) More generally, exhibit an infinite sequence of distinct rational exponents s such thatP

x∈Q+f (x)−s is rational.

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

We first note that

F (s) = X

x∈Q+

1 f (x)s =

X

a, b= 1, gcd(a, b) = 1

1 (a · b)s.

Moreover for s > 1 we have that

ζ(s)2 =

X

a=1

1 as

!2

=

X

a,b=1

1 (a · b)s =

X

d=1

X

a, b= 1, gcd(a, b) = d

1 (a · b)s

=

X

d=1

1 d2s ·

X

a, b= 1, gcd(a, b) = 1

1

(a · b)s = ζ(2s) · F (s).

Therefore if s is a positive even number 2n then the sum converges to

F (2n) = ζ(2n)2 ζ(4n) =



(−1)n−122n−1B2nπ2n (2n)!

2 

(−1)2n−124n−1B4nπ4n (4n)!



= 4n 2n



· B2n2 2|B4n| ∈ Q

where Bk is the k-th Bernoulli number (it is rational!). Here there are some values of the function F (2n):

F (2) = 5

2, F (4) = 7

6, F (6) = 715

691, F (8) =7293 7234.



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