Question Number 38518 by math khazana by abdo last updated on 26/Jun/18
$${calculate}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 27/Jun/18
$${let}\:{put}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{and}\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {x}^{\mathrm{2}} \:{F}\left({x}\right)=\mathrm{1} \\ $$$${d}={lim}_{{x}\rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\:\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\mathrm{4}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{4}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {x}\:{F}\left({x}\right)=\mathrm{0}={a}\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}+{c}=\mathrm{0}\:\Rightarrow{c}=−\mathrm{2}{a} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:−\frac{\mathrm{2}{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{4}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)=\mathrm{1}={a}\:−\mathrm{2}{a}\:\:+\mathrm{1}\:+\mathrm{4}\:\Rightarrow−{a}\:+\mathrm{4}=\mathrm{0}\:\Rightarrow{a}=\mathrm{4} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{4}}{{x}}\:−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{4}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {F}\left({k}\right)\:=\:\mathrm{4}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:−\mathrm{8}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}} \\ $$$$+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:+\mathrm{4}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{but} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:={H}_{{n}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\:=\mathrm{1}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}\:+….+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:+…..+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{H}_{{n}} ={H}_{\mathrm{2}{n}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\xi_{{n}} \left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} =\:\mathrm{4}\:{H}_{{n}} \:\:−\mathrm{8}{H}_{\mathrm{2}{n}} \:+\mathrm{4}\:{H}_{{n}} \:\:+\xi_{{n}} \left(\mathrm{2}\right)+\mathrm{4}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}_{{n}} =−\mathrm{8}\left({H}_{\mathrm{2}{n}} \:−{H}_{{n}} \right)\:+\xi_{{n}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\mathrm{4}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {S}_{{n}} =−\mathrm{8}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\mathrm{4}\:.\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}} \\ $$$$=−\mathrm{8}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{4}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\mathrm{8}{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:−\mathrm{8}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:. \\ $$