Question Number 65386 by mathmax by abdo last updated on 29/Jul/19
$${calculate}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} }{\mathrm{99}{k}−\mathrm{1}} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 31/Jul/19
$${let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }\:\:{cha}\mathrm{7}{gement}\:\:{x}=\frac{\mathrm{1}}{{t}}\:{give}\: \\ $$$${I}\:=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{99}} }}\left(−\frac{{dt}}{{t}^{\mathrm{2}} }\right)\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{t}^{\mathrm{99}} }{{t}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{99}} \right)}{dt}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{t}^{\mathrm{97}} }{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{99}} }{dt} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{t}^{\mathrm{97}} \sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {t}^{\mathrm{99}{k}} \:{dt}\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:{t}^{\mathrm{99}{k}+\mathrm{97}} \:{dt} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}{k}+\mathrm{98}}\:{t}^{\mathrm{99}{k}+\mathrm{98}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} }{\mathrm{99}{k}+\mathrm{98}} \\ $$$$=_{{k}={p}−\mathrm{1}} \:\:\:\:\sum_{{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{99}\left({p}−\mathrm{1}\right)+\mathrm{98}}\:=\sum_{{p}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{p}−\mathrm{1}} }{\mathrm{99}{p}−\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} }{\mathrm{99}{k}−\mathrm{1}}\:=\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} } \\ $$$$\int_{\mathrm{1}} ^{+\infty} \:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{0}} \left(….\right){dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} } \\ $$$${changement}\:{x}\:={t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}} \:{give}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{t}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}{t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}−\mathrm{1}} {dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{t}}{dt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}}\:\frac{\pi}{{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{99}}\right)}\:=\frac{\pi}{\mathrm{99}{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{99}}\right)} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{99}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:{x}^{\mathrm{99}{n}} {dx}\:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{99}{n}} \:{dx} \\ $$$$=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}\:} \left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{99}{n}+\mathrm{1}}\:{x}^{\mathrm{99}{n}+\mathrm{1}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{99}{n}+\mathrm{1}}={S} \\ $$$$=\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{100}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{199}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}.\mathrm{99}+\mathrm{1}}\:+….\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} }{\mathrm{99}{k}−\mathrm{1}}\:=\frac{\pi}{\mathrm{99}{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{99}}\right)}\:−{S}\:\: \\ $$