Question Number 132434 by Dwaipayan Shikari last updated on 14/Feb/21
$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{cos}\left({n}\right)}{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$
Answered by mnjuly1970 last updated on 14/Feb/21
$$\:\:{solution}: \\ $$$$\:\:\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{e}^{{in}} +{e}^{−{in}} }{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[{li}_{\mathrm{2}} \left({e}^{{i}} \right)+{li}_{\mathrm{2}} \left({e}^{−{i}} \right)\right] \\ $$$$\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left({li}_{\mathrm{2}} \left({e}^{{i}} \right)+{li}_{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{e}^{{i}} }\right)\right) \\ $$$$\:\:\:\underset{−\zeta\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(−{x}\right)} {\overset{{li}_{\mathrm{2}} \left({x}\right)+{li}_{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)} {=}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}^{\mathrm{2}} \left(−{e}^{{i}} \right)\right) \\ $$$$\:\:\:\: \\ $$$$\:=\frac{−\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\mathrm{2}{ln}\left({i}\right)+{i}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{−\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({i}\left(\pi+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right)=\frac{−\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}+\frac{\left(\pi+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$
Commented by Dwaipayan Shikari last updated on 14/Feb/21
$${Great}\:{sir}!\:{thanking}\:{you}.. \\ $$
Commented by mnjuly1970 last updated on 14/Feb/21
$$\:{you}\:{are}\:{welcome}… \\ $$$$ \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 14/Feb/21
$$\mathrm{let}\:\varphi\left(\mathrm{x}\right)=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{sin}\left(\mathrm{nx}\right)}{\mathrm{n}}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\int\:\varphi\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}=−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{K}−\int\:\varphi\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{Im}\left(\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{inx}} }{\mathrm{n}}\right)\:\:\mathrm{but}\:\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}}\:=\Psi\left(\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} \right)\mathrm{with} \\ $$$$\Psi\left(\mathrm{u}\right)\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{u}^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}}\:=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{u}\right)\:\Rightarrow\Psi\left(\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} \right)=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} \right) \\ $$$$=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{cosx}−\mathrm{isinx}\right)\:=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{2sin}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\mathrm{cos}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right) \\ $$$$=−\mathrm{ln}\left(−\mathrm{2isin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\left\{\mathrm{cos}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)+\mathrm{isin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right\}\right) \\ $$$$=−\mathrm{ln}\left(−\mathrm{2}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{i}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{ix}}{\mathrm{2}}} \right)\right. \\ $$$$=−\mathrm{ln}\left(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi} \right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{2}}} \right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)−\frac{\mathrm{ix}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=−\mathrm{i}\pi−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{ix}}{\mathrm{2}}\:−\mathrm{ln}\left(\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$=\mathrm{i}\left(−\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{ln}\left(\mathrm{2sin}\left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right)\:\Rightarrow\varphi\left(\mathrm{x}\right)=−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int\:\varphi\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx}\:=−\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\:\Rightarrow\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }=\mathrm{k}+\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}+\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{x} \\ $$$$\mathrm{x}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}=\mathrm{k}\:\Rightarrow\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{cos}\left(\mathrm{nx}\right)}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}+\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$\mathrm{x}=\mathrm{1}\:\Rightarrow\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{cos}\left(\mathrm{n}\right)}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{2}}+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$
Commented by Dwaipayan Shikari last updated on 15/Feb/21
$${Great}\:{sir}! \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 20/Feb/21
$$\mathrm{thanks} \\ $$