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By the log-convexity of the gamma function on the positive real axis, it follows that for t log(Γ(2

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Academic year: 2021

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Problem 11975

(American Mathematical Monthly, Vol.124, April 2017) Proposed by I. Mez˝o (China).

Letx be a real number in [0, 1). Prove that (1 − γ)x

1 − x ≤ Z 1

0

Γx(t) dt ≤ 1 1 − x whereΓ is the gamma function and γ is the Euler-Mascheroni constant.

Solution proposed by Moubinool Omarjee, Lyc´ee Henri IV, Paris, France, and Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, Italy.

Solution. By the log-convexity of the gamma function on the positive real axis, it follows that for t ∈ [0, 1],

0 = log(Γ(2)) = log(Γ(t(t + 1) + (1 − t)(t + 2)) ≤ t log(Γ(t + 1)) + (1 − t) log(Γ(t + 2)) that is, since Γ(t + 2) = (t + 1)Γ(t + 1),

1 ≤ Γt(t + 1)Γ1−t(t + 2) = (t + 1)1−tΓ(t + 1) and

m := min

t∈[0,1]

1

(t + 1)1−t ≤ Γ(t + 1).

On the other hand, log-convexity implies convexity and therefore for t ∈ [0, 1], Γ(t + 1) ≤ max{Γ(0 + 1), Γ(1 + 1)} = 1.

Hence, putting all together we get

m ≤ Γ(t + 1) = tΓ(t) ≤ 1 and, for x ∈ [0, 1), we have

mx

tx ≤ Γx(t) ≤ 1 tx. Finally, by integration with respect to t over [0, 1], we obtain

mx 1 − x = mx

Z 1

0

1 txdt ≤

Z 1

0

Γx(t) dt ≤ Z 1

0

1

txdt = 1 1 − x

which is a more general result because m ≈ 0.815154 > 1/2 > (1 − γ). 

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