Question Number 37341 by math khazana by abdo last updated on 12/Jun/18
$${calculate}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{3}}{{n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 14/Jun/18
$${let}\:{S}=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{3}}{{n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}={lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {S}_{{n}} \:\:\:{with}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{3}}{{n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {x}^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\mathrm{3} \\ $$$${d}={lim}_{{x}\rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\:\mathrm{12} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\:\frac{\mathrm{12}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}=\:{a}\:+\mathrm{3}\:+\frac{{c}}{\mathrm{3}}\:\:+\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}=\mathrm{3}{a}\:+\mathrm{9}\:+{c}\:+\mathrm{4}\:=\mathrm{3}{a}+{c}\:+\mathrm{13}\:\Rightarrow\mathrm{3}{a}+{c}=−\mathrm{12} \\ $$$${F}\left(−\mathrm{1}\right)=\:\mathrm{3}\:=−{a}\:+\mathrm{3}\:−{c}\:+\mathrm{12}\:=−{a}−{c}\:+\mathrm{15}\Rightarrow \\ $$$$−{a}−{c}=−\mathrm{12}\:\Rightarrow{a}+{c}\:=\mathrm{12}\Rightarrow{c}=\mathrm{12}−{a}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{3}{a}\:+\mathrm{12}−{a}\:=−\mathrm{12}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}=−\mathrm{24}\:\Rightarrow{a}\:=−\mathrm{12} \\ $$$${c}\:=\mathrm{24}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{−\mathrm{12}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{24}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{12}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {F}\left({k}\right)\:=\left\{−\mathrm{12}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:+\mathrm{24}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$+\left\{\mathrm{3}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:+\mathrm{12}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}={A}_{{n}} \:+{B}_{{n}} \\ $$$${but}\mathrm{3}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\mathrm{3}.\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}} \\ $$$$\sum_{{k}\:=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1} \\ $$$$=\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\mathrm{1}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:−\mathrm{1} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow\infty} \:{B}_{{n}} \:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:+\mathrm{12}\left(\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:−\mathrm{1}\right)\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{12} \\ $$$$=\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{12}\:\:{also}\:{we}\:{have} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:={H}_{{n}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:−\mathrm{1}=\:\mathrm{1}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:+…+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}−\mathrm{1} \\ $$$$=\mathrm{1}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:+….\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$$−…−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}−\mathrm{1}\:=\:{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:{H}_{{n}} \:−\mathrm{1} \\ $$$${A}_{{n}} =\:−\mathrm{12}\:{H}_{{n}} \:\:+\mathrm{24}\left(\:{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{H}_{{n}} −\mathrm{1}\right) \\ $$$$=−\mathrm{12}{H}_{{n}} \:+\mathrm{24}{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−\mathrm{12}\:{H}_{{n}} \:−\mathrm{24} \\ $$$$=\mathrm{24}\left(\:{H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−{H}_{\mathrm{2}{n}} \right)\:−\mathrm{24}\:\:{but} \\ $$$${H}_{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−{H}_{{n}} ={ln}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\:+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)−{ln}\left({n}\right)−\gamma\:−{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$$={ln}\left(\frac{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\rightarrow{ln}\left(\mathrm{2}\right)\left({n}\rightarrow+\infty\right)\:{so} \\ $$$${lim}\:_{{n}\rightarrow+\infty} {A}_{{n}} \:\:=\mathrm{24}\:{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:−\mathrm{24}\:{so} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} \:=\:\mathrm{24}{ln}\left(\mathrm{2}\right)−\mathrm{24}\:+\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{12} \\ $$$${S}=\mathrm{24}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\mathrm{5}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{36}\:. \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$