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(b) Find a closed form expression for f (σ) for σ &gt

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Academic year: 2021

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(1)

Problem 11629

(American Mathematical Monthly, Vol.119, March 2012) Proposed by Olivier Oloa (France).

Let

f (σ) = Z 1

0

xσ

 1

log(x) + 1 1 − x

2 dx..

(a) Show that f (0) = log(2π) − 3/2.

(b) Find a closed form expression for f (σ) for σ > 0.

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

For n ≥ m and σ > 0 let

Fn,m(σ) = Z 1

0

xσlog(x)n (1 − x)m dx.

Then it is known that F0,0(σ) = 1

σ + 1 , F1,1(σ) = d dσ

Z 1 0

1 − xσ

1 − x dx = (Ψ(σ + 1) + γ)0= −Ψ0(σ + 1) = −Ψ0(σ) + 1 σ2 where Ψ(σ) = Γ0(σ)/Γ(σ). For n > 1, by integration by parts

Fn,n(σ) = 1 n − 1

 xσlog(x)n (1 − x)n−1

1

0

− 1

n − 1 Z 1

0

σxσ−1log(x)n+ nxσ−1log(x)n−1

(1 − x)n−1 dx

= 0 − σFn,n−1(σ − 1) + nFn−1,n−1(σ − 1)

n − 1 = −σFn−1,n−10 (σ − 1) + nFn−1,n−1(σ − 1) n − 1

This recurrence relation implies that

F2,2(σ) = σΨ00(σ) + 2Ψ0(σ) , F3,3(σ) = −σ 2



Ψ000(σ) − 3(σ − 1/2)Ψ00(σ) − 3Ψ0(σ).

Hence

f00(σ) = Z 1

0

xσ

 1

log(x) + 1 1 − x

2

log(x)2dx

= F0,0(σ) + 2F1,1(σ) + F2,2(σ)

= 1

σ + 1− 2Ψ0(σ) + 2

σ2 + σΨ00(σ) + 2Ψ0(σ).

Therefore,

f0(σ) = Z

f00(σ) dσ = log(σ + 1) − 2Ψ(σ) − 2

σ+ σΨ0(σ) + Ψ(σ) + a and

f (σ) = Z

f0(σ) dσ = (σ + 1) log(σ + 1) − (σ + 1) − 2 log(Γ(σ)) − 2 log(σ) + σΨ(σ) + aσ + b

= (σ + 1) log(σ + 1) − 2 log(Γ(σ + 1)) + σΨ(σ + 1) + (a − 1)σ + b − 2 for some constants a, b.

As σ → +∞ it is easy to verify that f (σ) goes to zero. On the other hand f (σ) = (1 + a)σ − 1/2 − log(2π) + b + O(1/σ)

(2)

which implies that a = −1 and b = log(2π) + 1/2. Finally

f (σ) = (σ + 1) log(σ + 1) − 2 log(Γ(σ + 1)) + σΨ(σ + 1) − 2σ + log(2π) − 3/2 and, since f (σ) is continuous, we have that

f (0) = log(2π) − 3/2.

 Note that by a similar method, and by using F3,3(σ), it is possible to prove that

Z 1 0

 1

log(x) + 1 1 − x

2log(x)

1 − x dx = −5/4 − γ/2 + log(2π)/2.

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