級数botでツイートされた積分です。
https://twitter.com/infseriesbot/status/1339458952375889921?s=21
∫01loglog1x1+x2dx=π2logΓ(34)2π
β′(1)=π4(γ−logπ)+πlogΓ(34)
β(x)はDirichlet beta functionと呼ばれ、
β(x)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)x
と定義されます。また、定義より、
β′(1)=∑n=0∞(−1)n+1log(2n+1)2n+1
となります。
まず、logΓ(x)のフーリエ級数展開を考えます。
an=2∫01logΓ(x)cos2nπxdx
bn=2∫01logΓ(x)sin2nπxdx とおくと、
logΓ(x)=a02+∑n=1∞(ancos2nπx+bnsin2nπx)
が成立します。また、
a0=2∫01logΓ(x)dx=∫01log(Γ(x)Γ(1−x))dx=∫01logπsinπxdx=log2π
より、a0=log2π
さらに、
an=2∫01logΓ(x)cos2nπxdx=∫01log(Γ(x)Γ(1−x))cos2nπxdx=∫01logπsinπxcos2nπxdx=logπ∫01cos2nπxdx−∫01logsinπxcos2nπxdx=−[logsinπxsin2nπx2nπ]01+12n∫01sin2nπxcosπxsinπxdx=12n∫01sin2πxcosπxsinπxdx=1n∫01cos2πxdx=1n[x2+sin2πx4π]01=12n
より、an=12n
また、ワイエルシュトラスの乗積表示より、
logΓ(x)=−γx−logx+∑k=1∞(xk−log(1+xk))
であるから、
bn=2∫01(−γx−logx+∑k=1∞(−xk+log(1+xk)))sin2nπxdx=2γ[xcos2nπx2nπ]01+1nπ[cos2nπxlogx]01−1nπ∫01cos2nπxxdx+2∑k=1∞∫01(1kxsin2nπx−log(1+xk)sin2nπx)dx=γnπ−1nπlimt→0cos2nπtlogt−1nπ[Ci(2nπx)]01+1nπ∑k=1∞(−1k+log(1+1k)−[Ci(2nπ(k+x))]01)=γ−Ci(2nπ)nπ−1nπlimt→0(cos2nπtlogt−Ci(2nπt))+1nπ∑k=1∞(log(1+1k)−1k+Ci(2nkπ)−Ci(2n(k+1)π))=γ−Ci(2nπ)nπ−1nπlimt→0(cos2nπtlogt−γ−log2nπt−∫02nπt1−cosuudu)+−γ+Ci(2nπ)nπ=γ−Ci(2nπ)+γ+log2nπ−γ+Ci(2nπ)nπ=γ+log2nπnπ
より、bn=γ+log2nπnπ
よって、
logΓ(x)=12log2π+∑n=1∞(12ncos2nπx+γ+log2nπnπsin2nπx)
がわかりました。この式にx=34を代入すると、
logΓ(34)=12log2π+∑n=1∞(12ncos32nπ+γ+log2nπnπsin32nπ)=12log2π+14∑n=1∞(−1)nn+γ+log2ππ∑n=0∞(−1)n+12n+1+1π∑n=0∞(−1)n+1log(2n+1)2n+1=12log2π−14log2−14γ−14log2π+1πβ′(1)=−14(γ−logπ)+1πβ′(1)
が証明されました。
それでは本題に移ります。
[解説]
∫01loglog1x1+x2dx=∫0∞e−tlogt1+e−2tdt (x=e−t)=−∫0∞etlogt∑k=1∞(−1)ke−2ktdt=∑k=1∞(−1)k+1∫0∞logte−(2k−1)tdt=∑k=1∞(−1)k+1∫0∞∂∂utu−1e−(2k−1)tdt|u=1=∂∂u∑k=0∞(−1)k(2k+1)u∫0∞tu−1e−tdt|u=1=∂∂uβ(u)Γ(u)|u=1=β′(u)Γ(u)+β(u)Γ′(u)|u=1=β′(1)Γ(1)+β(1)Γ(1)ψ(1)=π4(γ−logπ)+πlogΓ(34)−π4γ=−π2logπ+π2logΓ(34)2=π2logΓ(34)2π
以上より、
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