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x y ny z o nz x o2 dx dy dz = 1 − ζ(2) 2 −ζ(3) 2 +7ζ(6) 48 +ζ(2)ζ(3) 18 +ζ(3)2 18 +ζ(3)ζ(4) 12

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Academic year: 2021

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Problem 11902

(American Mathematical Monthly, Vol.123, April 2016) Proposed by C. I. Vˇalean (Romania).

Prove that

Z 1

0

Z 1

0

Z 1

0

 x y

ny z

o nz x

o2

dx dy dz

= 1 − ζ(2) 2 −ζ(3)

2 +7ζ(6)

48 +ζ(2)ζ(3)

18 +ζ(3)2

18 +ζ(3)ζ(4) 12 .

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

By symmetry, we have that Z 1

0

Z 1

0

Z 1

0

 x y

ny z

o nz x

o2

dx dy dz = 3I1+ 3I2

where I1=

Z Z Z

0≤x≤y≤z≤1

 x y y z

nz x

o2

dx dy dz and I2= Z Z Z

0≤x≤z≤y≤1

 x y

ny z

o nz x

o2

dx dy dz.

Now, for m ≥ 4, let

F (m) = Z +∞

1

{u}2 um du =

X

k=1

Z k+1 k

(u − k)2 um du =

X

k=1

Z k+1 k

 1

um−2 − 2k um−1 + k2

um

 du

= 1

(m − 3)− 2 (m − 2)

X

k=1

 k

km−2 − k (k + 1)m−2



+ 1

(m − 1)

X

k=1

 k2

km−1− k2 (k + 1)m−1



= 1

(m − 3)−2ζ(m − 2)

(m − 2) +2ζ(m − 2) − ζ(m − 1)

(m − 1) = 1

(m − 3)− 2ζ(m − 2)

(m − 1)(m − 2)−ζ(m − 1) (m − 1). Hence

I1= Z 1

z=0

Z z y=0

Z y x=0

x z

nz x

o2

dx dy dz = Z 1

z=0

Z z x=0

x z

nz x

o2Z z y=x

dy

 dx dz

= Z 1

z=0

Z z x=0

x z

nz x

o2

(z − x)dx dz u=z/x= Z 1

z=0

Z +∞

u=1

{u}2 u2

z − z u

 z u2du dz

= Z +∞

u=1

{u}2 u4

 1 − 1

u

 du

Z 1

z=0

z2dz = F (4) − F (5)

3 .

Moreover,

I2= Z 1

y=0

Z y z=0

Z z x=0

 x y

ny z

o nz x

o2

dx dz dy = Z 1

z=0

Z 1

y=z

Z z x=0

 x y

ny z

o nz x

o2

dx dy dz

u=z/x,v=y/z

=

Z 1 z=0

Z 1/z v=1

Z +∞

u=1

 {u} {v}

uv

2

· z2

u2du dv dz = F (4) Z 1

z=0

Z 1/z v=1

{v}2z2 v2 dv dz

= F (4) Z +∞

v=1

{v}2 v2

Z 1/v z=0

z2dz

!

dv = F (4) · F (5)

3 .

(2)

Finally, since ζ(2) = π2/6, ζ(4) = π4/90, and ζ(6) = π6/945 = 4ζ(2)ζ(4)/7, we have that 3I1+ 3I2= F (4) − F (5) + F (4) · F (5)

=



1 − ζ(2) 3 −ζ(3)

3



− 1 2−ζ(3)

6 −ζ(4) 4

 +



1 −ζ(2) 3 −ζ(3)

3



· 1 2−ζ(3)

6 −ζ(4) 4



= 1 − ζ(2) 2 −ζ(3)

2 +7ζ(6)

48 +ζ(2)ζ(3)

18 +ζ(3)2

18 +ζ(3)ζ(4) 12 .



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