Question Number 26121 by abdo imad last updated on 20/Dec/17
$${answer}\:{to}\mathrm{26109}\:\:\:{S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{we}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({X}\right)\:\:=\:\:\frac{\mathrm{1}}{{X}^{\mathrm{2}} \left({X}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\:\frac{{a}}{{X}}\:\:\:+\frac{{b}}{{X}^{\mathrm{2}^{} } }\:\:+\frac{{c}}{{X}+\mathrm{1}}\:\:+\frac{{d}}{\left({X}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{we}\:{find} \\ $$$${F}\left({X}\right)\:\:=\:\:\frac{−\mathrm{2}}{{X}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{{X}^{\mathrm{2}} }\:\:+\:\frac{\mathrm{2}}{{X}+\mathrm{1}}\:\:+\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({X}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{so} \\ $$$$\:\:{S}_{{n}} \:\:=\:\:−\mathrm{2}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:+\mathrm{2}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}^{} } }\:\:+\:\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${but}\:\:\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:=\:{H}_{{n}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}=\:\:{H}_{{n}+\mathrm{1}} \:\:−\mathrm{1} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:=\:\:\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:+\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:\:−\mathrm{1}\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} \:\:=\:\:\mathrm{2}\left({H}_{{n}+\mathrm{1}} \:\:−{H}_{{n}} \right)\:\:+\mathrm{2}\:\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{k}={n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:\:−\mathrm{3} \\ $$$${but}\:\:\:{lim}_{{n}−>\propto} \left({H}_{{n}+\mathrm{1}} −\:{H}_{{n}} \right)\:\:=\mathrm{0}\:\:\:{and}\:\:\:\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\propto} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$\Rightarrow\:\:\:{lim}_{{n}−>\propto} \:\:{S}_{{n}} \:\:=\:\mathrm{2}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:\:−\mathrm{3}\:\:=\:\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:\:−\mathrm{3}\:\:\:\:\:. \\ $$