Question Number 31979 by abdo imad last updated on 17/Mar/18
$${calculate}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:. \\ $$
Commented by abdo imad last updated on 22/Mar/18
$${let}\:{put}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}^{\mathrm{2}} \:−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${d}={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:{we}\:{have}\:{F}\left(−{x}\right)={F}\left({x}\right)\Rightarrow \\ $$$$\frac{−{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:−\frac{{c}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{d}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:={F}\left({x}\right)\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow{F}\left(\mathrm{0}\right) \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:−\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\:\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}{a}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{a}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:{and} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{4}{S}_{{n}} =\mathrm{4}\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}\:} \:{F}\left({k}\right)=−\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}−\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\: \\ $$$$=−\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:+\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:\:+\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:\:+\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−{H}_{{n}−\mathrm{1}} \:+{H}_{{n}+\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:+\:\:\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}} \\ $$$$={H}_{{n}+\mathrm{1}} −{H}_{{n}−\mathrm{1}} \:\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\:\:+\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:{but} \\ $$$${H}_{{n}+\mathrm{1}\:} \:−{H}_{{n}−\mathrm{1}} \:_{{n}\rightarrow\infty} \rightarrow\mathrm{0}\:\:\:\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:\rightarrow\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\rightarrow\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:\Rightarrow\:\mathrm{4}{S}_{{n}} \:\rightarrow\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow\infty} \:{S}_{{n}} =\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{16}}\:.\:{let}\:{remember}\:{that}\:{H}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}} \\ $$$${and}\:\xi_{{n}} \left({x}\right)\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{{x}} }\:. \\ $$$$ \\ $$