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Find Z ∞ 0 sin((2n + 1)x) sin(x) e−αxxm−1dx in terms of α, m, and n, when α >0, m ≥ 1, and n is a nonnegative integer

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Academic year: 2021

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Testo completo

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Problem 11796

(American Mathematical Monthly, Vol.121, October 2014) Proposed by G. Glebov (Canada) and S. Fraser (Canada).

Find Z

0

sin((2n + 1)x)

sin(x) e−αxxm−1dx

in terms of α, m, and n, when α >0, m ≥ 1, and n is a nonnegative integer.

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

We have that

fn(x) = sin((2n + 1)x)

sin(x) = sin((2n − 1)x) cos(2x) + cos((2n − 1)x) sin(2x) sin(x)

= fn−1(x)(1 − 2 sin2(x)) + 2 cos((2n − 1)x) cos(x)

= fn−1(x) + 2(cos((2n − 1)x) cos(x) − sin((2n − 1)x) sin(x))

= fn−1(x) + 2 cos(2nx) = 1 + 2

n

X

k=1

cos(2kx) = 1 + 2

n

X

k=1

Re(ei2kx).

Since the Laplace transform of xm−1is L[xm−1](z) = Γ(m)z−m, it follows Z

0

sin((2n + 1)x)

sin(x) e−αxxm−1dx= Z

0

1 + 2

n

X

k=1

Re(ei2kx)

!

e−αxxm−1dx

= L[xm−1](α) + 2Re

n

X

k=1

L[xm−1](α − 2ik)

!

= Γ(m) α−m+ 2Re

n

X

k=1

(α − 2ik)−m

!!

.



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