Question Number 45594 by maxmathsup by imad last updated on 14/Oct/18
$${calculate}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{4}{n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 18/Oct/18
$${let}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{4}{k}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:\Rightarrow{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}\:={lim}_{{x}\rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\:\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${d}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{{d}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {x}\:{F}\left({x}\right)=\mathrm{0}\:=\frac{{a}}{\mathrm{2}}\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:−\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}{a}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:=−\mathrm{2}{a}\:\Rightarrow{a}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {F}\left({k}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{v}_{{k}} −{v}_{{k}−\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({v}_{{n}} −{v}_{\mathrm{0}} \:\right)\:\:\:\:\left({v}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:−\mathrm{1}\right)\:\rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({n}\rightarrow+\infty\right) \\ $$$${we}\:{have}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\left\{\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}\rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$${but}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:−\mathrm{1} \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=_{{n}={k}+\mathrm{1}} \:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}−\mathrm{1}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\right\}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:. \\ $$