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p  is the Legendre symbol

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Academic year: 2021

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(1)

Problem 11426

(American Mathematical Monthly, Vol.116, April 2009) Proposed by M. L. Glasser (USA).

Find Γ(1/14)Γ(9/14)Γ(11/14)

Γ(3/14)Γ(5/14)Γ(13/14).

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

We will prove the following generalization: let p be a prime such that p = 7 mod 8 then

Q(p) := Y

a∈O(2p)

 Γ a

2p

(ap)

= 2P(p−1)/2k=1 (kp)

where O(s) is the set of odd positive integers less than s and 

· p



is the Legendre symbol. In the particular case when p = 7 we have that

Q(7) = Γ(1/14)Γ(9/14)Γ(11/14)

Γ(3/14)Γ(5/14)Γ(13/14)= 2(17)+(27)+(37) = 2.

Since p = 7 mod 8

 2p − a p



= −a p



= −1 p

  a p



= (−1)(p−1)/2 a p



= − a p



then

Q(p) = Y

a∈O(p)

 Γ(a/2p) Γ((2p − a)/2p)

(ap) .

Γ(x) satisfies the reflection formula and the duplication formula:

Γ(x)Γ(1 − x) = π

sin(πx) , Γ(x)Γ

 x + 1

2



= Γ(2x)21−2x√ π, therefore we have that for x 6= 1, 1/2

Γ(x)

Γ(1 − x) = Γ(x)2sin(πx)

π = Γ(2x)2 Γ x + 122

sin(π(1 − 2x)) sin(π/2(1 − 2x))21−4x

= Γ(2x)2 Γ x +122

Γ x + 12 Γ 12− x Γ(2x)Γ(1 − 2x) 21−4x

= Γ(2x)Γ 12− x

Γ x +12 Γ(1 − 2x)21−4x. Hence

Q(p) = Y

a∈O(p)

2(1−2ap)(ap)

 Γ

a p

Γ1 2(p−a)

p

 Γ

p−a p

Γ1 2(p+a)

p



 (ap)

.

Moreover, since p = 7 mod 8 and a is an odd integer non divisible by p

1 2(p ± a)

p



= 2 p

−1

 p ± a p



= (−1)−(p2−1)/8 ±a p



= ± a p

 .

(2)

So

Q(p) = Y

a∈O(p)

2(1−2ap)(ap)

Γ

a p

(ap)  Γ

p−a p

(p−ap )

Γ1 2(p+a)

p



1 2(p+a)

p



Γ1 2(p−a)

p



1 2(p−a)

p



= Y

a∈O(p)

2(1−2ap)(ap) Qp−1

k=1

Γ

k p

(kp)

Qp−1 k=1

Γ

k p

(kp) = 2Pa∈O(p)(1−2ap)(ap).

Since

2 p

= 1 and

−1 p

= −1 then we can simplify the exponent:

X

a∈O(p)

 a p



=

(p−1)/2

X

k=1

 p − 2k p



= −

(p−1)/2

X

k=1

 k p

 ,

and

X

a∈O(p)

a p

 a p



=

p−1

X

k=1

k p

 k p



(p−1)/2

X

k=1

2k p

 2k p



=

p−1

X

k=(p+1)/2

k p

 k p



(p−1)/2

X

k=1

k p

 k p



=

(p−1)/2

X

k=1

p − k p

 p − k p



(p−1)/2

X

k=1

k p

 k p



= −

(p−1)/2

X

k=1

 k p

 .

Finally

Q(p) = 2Pa∈O(p)(1−2ap)(pa) = 2P(p−1)/2k=1 (kp).



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