Question Number 138112 by 676597498 last updated on 10/Apr/21
$${prove}\:{that} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \left({sin}^{\mathrm{2}{k}} \left({x}\right){dx}\right)=\frac{\left(\mathrm{2}{k}\right)!\mathrm{2}^{−\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}} }{\left({k}!\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 10/Apr/21
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {sin}^{\mathrm{2}{a}−\mathrm{1}} {x}\:{cos}^{\mathrm{2}{b}−\mathrm{1}} {x}\:{dx}=\frac{\Gamma\left({a}\right)\Gamma\left({b}\right)}{\mathrm{2}\Gamma\left({a}+{b}\right)} \\ $$$${Matching}\:{this} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {sin}^{\mathrm{2}{k}} \left({x}\right){dx}=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {sin}^{\mathrm{2}\left({k}+\mathrm{1}\right)−\mathrm{1}} {x}\:{cos}^{\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}} {x}=\frac{\Gamma\left({k}+\mathrm{1}\right)\Gamma\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)}{\Gamma\left({k}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 10/Apr/21
$$\mathrm{let}\:\:\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}} \mathrm{xdx}\:\Rightarrow\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \mathrm{x}\:\left(\mathrm{1}−\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \mathrm{xdx}−\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \mathrm{x}\:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \mathrm{xdx}\:\:\mathrm{we}\left[\mathrm{have}\right. \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \mathrm{xdx}=\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \:\:\mathrm{and}\:\mathrm{by}\:\mathrm{recurrence} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{cosx}\:\left(\mathrm{cosx}\:\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \mathrm{x}\right)\mathrm{dx}\:=\left[\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \mathrm{x}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\mathrm{cosx}\right]_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} +\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{sinx}\:\frac{\mathrm{sin}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \mathrm{x}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\mathrm{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\mathrm{I}_{\mathrm{n}} \:\Rightarrow\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\mathrm{I}_{\mathrm{n}} \:\Rightarrow\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\right)\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}−\mathrm{1}}\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow\mathrm{I}_{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{n}−\mathrm{1}}{\mathrm{n}}\:\mathrm{I}_{\mathrm{n}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow\:\mathrm{I}_{\mathrm{2n}} =\frac{\mathrm{2n}−\mathrm{1}}{\mathrm{2n}}\mathrm{I}_{\mathrm{2n}−\mathrm{2}} \:\:\:\:\left(\mathrm{n}\geqslant\mathrm{1}\right) \\ $$$$\Rightarrow\prod_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}\:} \:\mathrm{I}_{\mathrm{2k}} =\prod_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\frac{\mathrm{2k}−\mathrm{1}}{\mathrm{2k}}\:\mathrm{I}_{\mathrm{2k}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}_{\mathrm{2}} .\mathrm{I}_{\mathrm{4}} ……\mathrm{I}_{\mathrm{2n}} =\frac{\prod_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\left(\mathrm{2k}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{n}!}\:\mathrm{I}_{\mathrm{0}} .\mathrm{I}_{\mathrm{2}} …..\mathrm{I}_{\mathrm{2n}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}_{\mathrm{2n}} =\frac{\mathrm{1}.\mathrm{3}.\mathrm{5}….\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}^{\mathrm{n}} .\mathrm{n}!}\:\mathrm{I}_{\mathrm{0}} =\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\frac{\mathrm{1}.\mathrm{2}.\mathrm{3}.\mathrm{4}.\mathrm{5}…..\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2n}\right)}{\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \mathrm{n}!\:.\mathrm{2}^{\mathrm{n}\:.} \mathrm{n}!} \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}}×\frac{\left(\mathrm{2n}\right)!}{\mathrm{2}^{\mathrm{2n}} \left(\mathrm{n}!\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2n}} \mathrm{xdx}\:=\frac{\pi\left(\mathrm{2n}\right)!}{\mathrm{2}^{\mathrm{2n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}!\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$