Question Number 118488 by Lordose last updated on 18/Oct/20
$$\boldsymbol{\mathrm{Conjecture}}\:\boldsymbol{\mathrm{a}}\:\boldsymbol{\mathrm{formula}}\:\boldsymbol{\mathrm{for}}\:\boldsymbol{\mathrm{the}}\:\boldsymbol{\mathrm{infinite}} \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{sum}}\:\boldsymbol{\mathrm{of}}\:\boldsymbol{\mathrm{the}}\:\boldsymbol{\mathrm{series}}. \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{15}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{35}}+\:\centerdot\:\centerdot\:\centerdot\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}\boldsymbol{\mathrm{n}}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}\boldsymbol{\mathrm{n}}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{And}}\:\boldsymbol{\mathrm{prove}}\:\boldsymbol{\mathrm{the}}\:\boldsymbol{\mathrm{formula}}\:\boldsymbol{\mathrm{by}}\:\boldsymbol{\mathrm{Induction}}. \\ $$
Answered by Olaf last updated on 18/Oct/20
$$\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}−\mathrm{1}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}+\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:=\:\frac{{n}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{Induction}\:: \\ $$$$\mathrm{for}\:{n}\:=\:\mathrm{1},\:\mathrm{S}_{\mathrm{1}} \:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}.\mathrm{3}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}\right)+\mathrm{1}} \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{the}\:\mathrm{formula}\:\mathrm{is}\:\mathrm{true}\:\mathrm{for}\:{n}\:=\:\mathrm{1} \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{Now}\:\mathrm{we}\:\mathrm{suppose}\:\mathrm{the}\:\mathrm{formula}\:\mathrm{is}\:\mathrm{true}\:\mathrm{for}\:{n}. \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\mathrm{S}_{{n}} +\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\frac{{n}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\frac{{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\frac{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}{n}+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\frac{\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}\right)} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:\frac{{n}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{S}_{{n}} \:\mathrm{true}\:\Rightarrow\:\mathrm{S}_{{n}+\mathrm{1}} \:\mathrm{true} \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{Finally},\:\mathrm{S}_{{n}} \:=\:\frac{{n}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}},\:{n}\:\geqslant\:\mathrm{1} \\ $$