Question Number 65673 by mathmax by abdo last updated on 01/Aug/19
$${find}\:\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 02/Aug/19
$${let}\:{S}\:=\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}+\frac{{b}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}\:={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${d}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}+{c}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{1}\:=−{a}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:−{a}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:=−\mathrm{2}{a}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\mathrm{1}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$${a}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)\:=\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}\:=\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {F}\left({n}\right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}−\mathrm{1}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}}\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}}\:={ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{3}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}}\:−\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:=−\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$${but}\:{we}\:{have}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{{x}} }\:=\left(\mathrm{2}^{\mathrm{1}−{x}} −\mathrm{1}\right)\xi\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\left(\mathrm{2}^{\mathrm{1}−\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\xi\left(\mathrm{2}\right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{3}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:=−\sum_{{n}=\mathrm{3}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\boldsymbol{{n}}} }{\boldsymbol{{n}}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−\left\{\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\right\}\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}−\left(−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\right)=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:\Rightarrow \\ $$$${S}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({ln}\mathrm{2}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{8}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{48}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{16}} \\ $$$$ \\ $$