Question Number 72389 by mathmax by abdo last updated on 28/Oct/19
$${find}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {k}\left({C}_{{n}} ^{{k}} \right)^{\mathrm{2}} \:{interms}\:{of}\:{n} \\ $$
Answered by mind is power last updated on 28/Oct/19
$$\:\mathrm{P}\left(\mathrm{x}\right)=\left(\mathrm{1}+\mathrm{te}^{\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{n}} \\ $$$$\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)=\left(\mathrm{1}+\mathrm{te}^{−\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{n}} \\ $$$$\mathrm{p}\left(\mathrm{x}\right).\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)=\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2tcos}\left(\mathrm{x}\right)+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \\ $$$$\mathrm{P}\left(\mathrm{x}\right)=\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} .\mathrm{t}^{\mathrm{k}} \mathrm{e}^{\mathrm{ikx}} \\ $$$$\mathrm{Q}\left(\mathrm{x}\right)=\underset{\mathrm{l}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{l}} \mathrm{t}^{\mathrm{l}} \mathrm{e}^{−\mathrm{ilx}} \\ $$$$\mathrm{P}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right).\mathrm{Q}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)=\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\underset{\mathrm{l}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} .\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{l}} \mathrm{t}^{\mathrm{k}} \mathrm{e}^{\mathrm{i}\left(\mathrm{k}−\mathrm{l}\right)\mathrm{x}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \mathrm{e}^{\mathrm{i}\left(\mathrm{k}−\mathrm{l}\right)\mathrm{x}} \mathrm{dx}=\begin{cases}{\mathrm{0}\:\mathrm{if}\:\mathrm{k}\neq\mathrm{l}}\\{\mathrm{2}\pi\:\mathrm{if}\:\mathrm{k}=\mathrm{l}}\end{cases} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \mathrm{P}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right).\mathrm{Q}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)\mathrm{dx}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\underset{\mathrm{l}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} .\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{l}} \mathrm{t}^{\mathrm{k}+\mathrm{l}} .\mathrm{e}_{} ^{\mathrm{i}\left(\mathrm{k}−\mathrm{l}\right)\mathrm{x}} \mathrm{dx} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \mathrm{P}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right).\mathrm{Q}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)\mathrm{dx}\underset{\mathrm{k}} {\sum}\underset{\mathrm{l}} {\sum}\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} .\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{l}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \mathrm{t}^{\mathrm{k}+\mathrm{l}} \mathrm{e}^{\mathrm{i}\left(\mathrm{k}−\mathrm{l}\right)\mathrm{x}} \mathrm{dx}=\mathrm{2}\pi\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{t}^{\mathrm{2k}} \left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{Q}\left(\mathrm{t}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \mathrm{p}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)\mathrm{Q}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)\mathrm{dx}=\mathrm{2}\pi\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{t}^{\mathrm{2k}} \left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{Q}'\left(\mathrm{t}\right)\mid_{\mathrm{t}=\mathrm{1}} =\mathrm{2}\pi\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\mathrm{2kt}^{\mathrm{2k}−\mathrm{1}} .\left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} \mid_{\mathrm{t}=\mathrm{1}} =\mathrm{4}\pi\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{k}\left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{p}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right).\mathrm{Q}\left(\mathrm{x},\mathrm{t}\right)=\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \\ $$$$\mathrm{Q}'\left(\mathrm{1}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} .\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dt}}\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \mid\mathrm{t}=\mathrm{1}\:\:\:\mathrm{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \left(\mathrm{2t}+\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\right)\mathrm{n}.\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{t}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \mid_{\mathrm{t}=\mathrm{1}} \mathrm{dx} \\ $$$$=\mathrm{n}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \left(\mathrm{2}+\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\right)\left(\mathrm{2}+\mathrm{2cos}\left(\mathrm{x}\right)\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} =\mathrm{n2}^{\mathrm{n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \left(\mathrm{1}+\mathrm{cos}\left(\mathrm{x}\right)\right)^{\mathrm{n}} \mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{1}+\mathrm{cos}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{2cos}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1} \\ $$$$=\mathrm{n2}^{\mathrm{n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}\pi} \left(\mathrm{2}^{\mathrm{n}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2n}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)\mathrm{dx}\:\:\:\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}=\mathrm{t} \\ $$$$=\mathrm{2n}.\mathrm{4}^{\mathrm{n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\pi} \mathrm{cos}^{\mathrm{2n}} \left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt}=\mathrm{4n}.\mathrm{4}^{\mathrm{n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2n}} \left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt}= \\ $$$$\mathrm{by}\:\mathrm{Walis}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get}\:\: \\ $$$$\mathrm{n}.\mathrm{4}^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \mathrm{cos}^{\mathrm{2n}} \left(\mathrm{t}\right)\mathrm{dt}=\mathrm{n}.\mathrm{4}^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} \mathrm{W}_{\mathrm{2n}} =\mathrm{4}\pi.\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{k}\left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{k}\left(\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \right)^{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{n}.\mathrm{4}^{\mathrm{n}} \mathrm{W}_{\mathrm{2n}} }{\pi} \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 29/Oct/19
$${thank}\:{you}\:{sir}. \\ $$
Commented by mind is power last updated on 29/Oct/19
$$\mathrm{y}'\mathrm{re}\:\mathrm{Welcom} \\ $$