If the value of the above integral can be represented as
for positive integers and , then evaluate .
Notations:
Hint: Generalize for
where is an integer.
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Lemma:
∫ 0 1 { k 1 } k d x = j = 1 ∑ ∞ ( j k + j ) ζ ( j + 1 ) − 1 = j = 1 ∑ ∞ ( k k + j ) ζ ( j + 1 ) − 1
∗ This implies that our integral is j = 1 ∑ ∞ ( j 2 0 1 7 + j ) ζ ( j + 1 ) − 1 , which gives A + B + C = 2 0 1 9 .
Proof:
Let
I = ∫ 0 1 { k 1 } k d x
Make the substitution t = x 1 ⟹ d t = − x 2 1 d x and ∫ 0 1 ↦ ∫ ∞ 1 . So we get
I = ∫ 0 1 { k 1 } k ⋅ ( − x 2 ) ⋅ ( − x 2 1 ) d x = − ∫ ∞ 1 t 2 { t } k d t = ∫ 1 ∞ t 2 { t } k d t = ∫ 1 ∞ t 2 ( t − ⌊ t ⌋ ) k d t = n = 1 ∑ ∞ ∫ n n + 1 t 2 ( t − n ) k d t
Make another substitution y = t − n ⟹ d y = d t and ∫ n n + 1 ↦ ∫ 0 1 . So we have
I = n = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( y + n ) 2 y k d y = ∫ 0 1 y k ( n = 1 ∑ ∞ ( y + n ) 2 1 ) d y
Note that
( y + n ) 2 1 = ( y + n ) 2 Γ ( 2 ) = ( y + n ) 2 1 ⋅ ∫ 0 ∞ s e − s d s = ∫ 0 ∞ u e − ( n + y ) u d u
Thus
n = 1 ∑ ∞ ( y + n ) 2 1 = n = 1 ∑ ∞ ∫ 0 ∞ u e − ( n + y ) u d u = ∫ 0 ∞ n = 1 ∑ ∞ u e − ( n + y ) u d u = ∫ 0 ∞ e u − 1 u e − u y d u
And so
I = ∫ 0 1 y k ( ∫ 0 ∞ e u − 1 u e − u y d u ) d y = ∫ 0 ∞ e u − 1 u ( ∫ 0 1 y k e − u y d y ) d u
Let
L k = ∫ 0 1 y k e − u y d y
integrating by parts gives
L k = − u e − u + ( u k ) L k − 1
Let M k = k ! u k L k . Note that
⟹ k ! u k ⋅ L k = − u e − u ⋅ k ! u k + ( ( k − 1 ) ! u k − 1 ) L k − 1 M k = − u e − u ⋅ k ! u k + M k − 1
Thus we have obtained a recursive pattern which gives us
M k = − u e − u ( r = 0 ∑ k − 1 ( k − r ) ! u k − r ) + M 0
Here
M 0 = 0 ! u 0 L 0 = ∫ 0 1 e − u y d y = u 1 − e − u
Hence
M k = − u e − u ( r = 0 ∑ k − 1 ( k − r ) ! u k − r ) + u 1 − e − u = − u e − u ( r = 0 ∑ k − 1 ( k − r ) ! u k − r ) + u e − u ⋅ e u − e − u = u e − u ( e u − ( 1 + r = 0 ∑ k − 1 ( k − r ) ! u k − r ) ) = u e − u j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! u k + j
This gives
L k = u k k ! ⋅ u e − u j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! u k + j = k ! e − u j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! u j − 1
So
I = ∫ 0 ∞ e u − 1 u ( k ! e − u j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! u j − 1 ) d u = j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! k ! ∫ 0 ∞ e u − 1 u j e − u d u
Let
T = ∫ 0 ∞ e u − 1 u j e − u d u = ∫ 0 ∞ u j e − 2 u r = 0 ∑ ∞ e − r u d u = r = 0 ∑ ∞ ∫ 0 ∞ u j e − ( r + 2 ) u d u = r = 0 ∑ ∞ ( r + 2 ) j + 1 Γ ( j + 1 ) = r = 0 ∑ ∞ ( r + 2 ) j + 1 j ! = j ! ( ζ ( j + 1 ) − 1 )
Finally, we get
I = j = 1 ∑ ∞ ( k + j ) ! k ! j ! ( ζ ( j + 1 ) − 1 ) = j = 1 ∑ ∞ k ! j ! ( k + j ) ! ζ ( j + 1 ) − 1 = j = 1 ∑ ∞ ( j k + j ) ζ ( j + 1 ) − 1 or j = 1 ∑ ∞ ( k k + j ) ζ ( j + 1 ) − 1
Q . E . D .