Question Number 67034 by mathmax by abdo last updated on 22/Aug/19
$${calculate}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{cos}\left(\mathrm{2}{nx}\right)}{{n}} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 23/Aug/19
$${let}\:{S}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{cos}\left(\mathrm{2}{nx}\right)}{{n}}\:\Rightarrow\:{S}\:={Re}\left(\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{{i}\mathrm{2}{nx}} }{{n}}\right) \\ $$$${let}\:{W}\left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{{i}\mathrm{2}{nx}} }{{n}}\:\Rightarrow{W}^{'} \left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\mathrm{2}{ni}\:\:\frac{{e}^{{i}\mathrm{2}{nx}} }{{n}} \\ $$$$=\mathrm{2}{i}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left({e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)^{{n}} \:=\mathrm{2}{i}\:{e}^{\mathrm{2}{ix}} \:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left({e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)^{{n}−\mathrm{1}} \:=\mathrm{2}{i}\:{e}^{\mathrm{2}{ix}} \sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left({e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)^{{n}} \\ $$$$=\mathrm{2}{i}\:{e}^{\mathrm{2}{ix}} ×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} }\:=\frac{\mathrm{2}{i}\:{e}^{\mathrm{2}{ix}} }{\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} }\:\Rightarrow \\ $$$${W}\left({x}\right)\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)\:\:{we}\:{have}\:\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} =\mathrm{1}−{cos}\left(\mathrm{2}{x}\right)−{isin}\left(\mathrm{2}{x}\right) \\ $$$$=\mathrm{2}{sin}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)−\mathrm{2}{isin}\left({x}\right){cos}\left({x}\right)\:=−\mathrm{2}{i}\:{sin}\left({x}\right)\left\{{cosx}+{i}\:{sinx}\right\} \\ $$$$=−\mathrm{2}{isinx}\:{e}^{{ix}} \:\Rightarrow{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)\:={ln}\left(−\mathrm{2}{i}\right)+{ln}\left({sinx}\right)+{ix} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{2}\right)+{ln}\left(−{i}\right)\:+{ln}\left({sinx}\right)+{ix}\:={ln}\left(\mathrm{2}\right)+{ln}\left({e}^{−\frac{{i}\pi}{\mathrm{2}}} \right)+{ln}\left({sinx}\right)+{ix} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{{i}\pi}{\mathrm{2}}\:+{ix}\:+{ln}\left({sinx}\right)\:={ln}\left(\mathrm{2}{sinx}\right)+{i}\left({x}−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{cos}\left(\mathrm{2}{nx}\right)}{{n}}\:={ln}\left(\mathrm{2}{sinx}\right)\:. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 25/Aug/19
$${error}\:{at}\:{final}\:{line}\:\:{we}\:{have}\:{W}\left({x}\right)=−{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{\mathrm{2}{ix}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$${W}\left({x}\right)\:=−{ln}\left(\mathrm{2}{sinx}\right)−{i}\left({x}−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)\:=−{ln}\left(\mathrm{2}{sinx}\right)+{i}\left(\frac{\pi−\mathrm{2}{x}}{\mathrm{2}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{cos}\left(\mathrm{2}{nx}\right)}{{n}}\:=−{ln}\left(\mathrm{2}{sinx}\right) \\ $$$$ \\ $$