Question Number 41454 by Fawomath last updated on 07/Aug/18
$$\mathrm{Evaluate}\:\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} {\sum}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {k}^{\mathrm{3}} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 07/Aug/18
$${let}\:{S}\left({x}\right)=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{x}^{{k}} \:\:\:{we}\:{have}\:{S}^{'} \left({x}\right)=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {k}\:{x}^{{k}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${xS}^{'} \left({x}\right)=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {k}\:{x}^{{k}} \:\Rightarrow\:\left({xS}^{'} \left({x}\right)\right)^{'} \:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{x}^{{k}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${S}^{'} \left({x}\right)\:+{x}\:{S}^{''} \left({x}\right)\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {k}^{\mathrm{2}} \:{x}^{{k}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${xS}^{'} \left({x}\right)\:+{x}^{\mathrm{2}} \:{S}^{''} \left({x}\right)\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {k}^{\mathrm{2}} {x}^{{k}} \:\Rightarrow \\ $$$$\left({xS}^{'} \left({x}\right)\:+{x}^{\mathrm{2}} {S}^{''} \left({x}\right)\right)^{'} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} {k}^{\mathrm{3}} \:{x}^{{k}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${S}^{'} \left({x}\right)\:+{xS}^{''} \left({x}\right)\:+\mathrm{2}{x}\:{S}^{''} \left({x}\right)\:+{x}^{\mathrm{2}} \:{S}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left({x}\right)\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{k}^{\mathrm{3}} \:{x}^{{k}−\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$${xS}^{'} \left({x}\right)\:\:+\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} \:{S}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left({x}\right)\:+{x}^{\mathrm{3}} \:{S}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left({x}\right)\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{k}^{\mathrm{3}} \:{x}^{{k}\:\:} \:\:\:{let}\:{take}\:{x}=\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{N}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} \:{x}^{{k}} \:=\:{S}^{'} \left(\mathrm{1}\right)\:+\mathrm{3}\:{S}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:+{S}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:\:{but} \\ $$$${S}\left({x}\right)=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{N}} \left(−{x}\right)^{{k}} \:\:=\frac{\mathrm{1}−\left(−{x}\right)^{{N}+\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{x}}\:\:=\:\frac{\mathrm{1}\:−\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}+\mathrm{1}} \:{x}^{{N}+\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{x}}\:\:\:\:\left({x}\neq−\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}+\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}+\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+{x}}\:\Rightarrow\:{S}^{'} \left({x}\right)\:=\frac{\left({N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} {x}^{{N}} \left(\mathrm{1}+{x}\right)\:−\left(\mathrm{1}+\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} {x}^{{N}+\mathrm{1}} \right)}{\left(\mathrm{1}+{x}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\left({N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}} \:+\left({N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}+\mathrm{1}} \:−\mathrm{1}−\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}+\mathrm{1}} }{\left(\mathrm{1}+{x}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\left({N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}} \:+{N}\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:{x}^{{N}+\mathrm{1}} \:−\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{} \right)^{\mathrm{2}} }\:\:\Rightarrow\:{S}^{'} \left(\mathrm{1}\right)=\frac{\left({N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} \:+{N}\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} }{\mathrm{4}} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{2}{N}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{1}\right)^{{N}} }{\mathrm{4}}\:\:\:{also}\:{we}\:{must}\:{calculate}\:{S}^{\left(\mathrm{2}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:{and}\:{S}^{\left(\mathrm{3}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:{and} \\ $$$${take}\:{N}\:=\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}…. \\ $$
Answered by sma3l2996 last updated on 07/Aug/18
$${S}_{{n}} =\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} {\sum}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}−\mathrm{1}} {k}^{\mathrm{3}} \\ $$$$=\mathrm{1}−\mathrm{2}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}^{\mathrm{3}} −\mathrm{4}^{\mathrm{3}} +…+\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} \\ $$$$=\left(\mathrm{1}+\mathrm{3}^{\mathrm{3}} +\mathrm{5}^{\mathrm{3}} +…+\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} \right)−\left(\mathrm{2}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4}^{\mathrm{3}} +\mathrm{6}^{\mathrm{3}} +…+\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{3}} \right) \\ $$$$=\left[\mathrm{1}+\mathrm{2}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4}^{\mathrm{3}} +…+\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} −\left(\mathrm{2}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4}^{\mathrm{3}} +\mathrm{6}^{\mathrm{3}} +…+\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{3}} \right)\right]−\mathrm{2}^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{1}^{\mathrm{3}} +\mathrm{2}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}^{\mathrm{3}} +…+\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} \right) \\ $$$$=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} {\sum}}{k}^{\mathrm{3}} −\mathrm{2}^{\mathrm{3}} ×\mathrm{2}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}−\mathrm{1}} {\sum}}{k}^{\mathrm{3}} \\ $$$$=\left[\frac{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}\right]^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}^{\mathrm{4}} \left[\frac{\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}\right]^{\mathrm{2}} \\ $$$${note}:\:\:\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}{k}^{\mathrm{3}} =\left[\frac{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}\right]^{\mathrm{2}} \\ $$$${S}_{{n}} =\frac{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{2}^{\mathrm{4}} \frac{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {n}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$={n}^{\mathrm{2}} \left(\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$={n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{4}{n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{4}{n}+\mathrm{1}−\mathrm{4}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{8}{n}−\mathrm{4}\right) \\ $$$${S}_{{n}} ={n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{4}{n}−\mathrm{3}\right) \\ $$