The equation above holds true for positive integers . Find .
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A couple of substitutions y = x − 1 and z = y − 1 give ∫ 0 1 { x 1 } 2 { 1 − x 1 } d x = ∫ 1 ∞ { y } 2 { y − 1 y } y 2 d y = ∫ 1 ∞ { y } 2 { y − 1 1 } y 2 d y = ∫ 0 ∞ { y + 1 } 2 { y 1 } ( y + 1 ) 2 d y = ∫ 0 ∞ { y } 2 { y 1 } ( y + 1 ) 2 d y = k = 0 ∑ ∞ ∫ 0 1 y 2 { y + k 1 } ( y + k + 1 ) 2 d y = ∫ 0 1 ( y + 1 ) 2 y 2 { y 1 } d y + k = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( y + k ) ( y + k + 1 ) 2 y 2 d y = ∫ 1 ∞ ( z + 1 ) 2 { z } z 2 d z + k = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( y + k ) ( y + k + 1 ) 2 y 2 d y = k = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( z + k ) 2 ( z + k + 1 ) 2 z d z + k = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( y + k ) ( y + k + 1 ) 2 y 2 d y = k = 1 ∑ ∞ ∫ 0 1 ( y + k ) 2 ( y + k + 1 ) 2 y ( y 2 + k y + 1 ) d y By symmetry, the desired integral is ∫ 0 1 { x 1 } { 1 − x 1 } ( { x 1 } + { 1 − x 1 } ) d x = 2 ∫ 0 1 { x 1 } 2 { 1 − x 1 } d x = 2 K → ∞ lim Z K where Z K = k = 1 ∑ K ∫ 0 1 ( y + k ) 2 ( y + k + 1 ) 2 y ( y 2 + k y + 1 ) d y = k = 1 ∑ K ( − k ( k + 2 ) ln ( k + 2 ) + ( 2 k 2 + 4 k + 1 ) ln ( k + 1 ) − ( k + 1 ) 2 ln k − k + 1 k + 2 ) = − K ( K + 2 ) ln ( K + 2 ) + ( K 2 + 4 K + 2 ) ln ( K + 1 ) − 2 ln K ! − K − H K + 1 + 1 Now lim K → ∞ S K = γ , where S K = H K − ln K , and Stirling's approximation tells us that X K = O ( K − 1 ) as K → ∞ , where X K = 2 ln K ! − ( 2 K + 1 ) ln ( K + 1 ) + 2 K + 2 − ln ( 2 π ) Now Z K = − K ( K + 2 ) ln ( K + 2 ) + K ( K + 2 ) ln ( K + 1 ) + K + 3 − X K − S K + 1 − ln ( 2 π ) = F ( K ) + 3 − X K − S K + 1 − ln ( 2 π ) where F ( K ) = K − K ( K + 2 ) ln ( K + 1 K + 2 ) = ln ( K + 1 K + 2 ) + K − ( K + 1 ) 2 ln ( 1 + K + 1 1 ) = O ( K − 1 ) + K − ( K + 1 ) 2 ( K + 1 1 − 2 ( K + 1 ) 2 1 + O ( K − 3 ) ) = − 2 1 + O ( K − 1 ) as K → ∞ , and hence lim K → ∞ F ( K ) = − 2 1 . Thus K → ∞ lim Z K = 2 5 − γ − ln ( 2 π ) and so the desired integral is 5 − 2 γ − 2 ln ( 2 π ) , making the answer 5 + 2 + 2 + 2 = 1 1 .