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X n=1 n (ln(sin tn+1

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Academic year: 2021

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Problem 11924

(American Mathematical Monthly, Vol.123, August-September 2016) Proposed by C. I. V˘alean (Romania).

Calculate

Z π/2

0

{tan x}

tan x dx.

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

Solution. Let tn= arctan(n), then

I :=

Z π/2

0

{tan x}

tan x dx = Z π/2

0



1 −⌊tan x⌋

tan x



dx = π 2 −

X

n=1

n Z tn+1

tn

dx tan x

= π 2 −

X

n=1

n (ln(sin tn+1) − ln(sin tn)) .

Since sin(arctan t) = √ 1

1+1/t2 when t > 0, it follows that for N ≥ 2,

N −1

X

n=1

n (ln(sin tn+1) − ln(sin tn)) =

N −1

X

n=1

[(n + 1) ln(sin tn+1) − n ln(sin tn)] −

N −1

X

n=1

ln(sin tn+1)

= N ln(sin tN) −

N −1

X

n=0

ln(sin tn+1)

= N ln 1

p1 + 1/N2

!

− ln

N

Y

n=1

1 p1 + 1/n2

! . Hence, by taking the limit as N → +∞, we obtain

I = π 2 −1

2ln

Y

n=1

 1 + 1

n2

!

= π 2 −1

2ln sin(πi) πi



= π 2 −1

2ln sinh(π) π



=1 2ln

 2π 1 − e−2π

 , where we used the sine product formula

sin(πz) = πz

Y

n=1

 1 − z2

n2

 .



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