Question Number 33713 by abdo imad last updated on 22/Apr/18
$${find}\:{tbe}\:{value}\:{of}\:\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{{n}^{\mathrm{2}} −{n}+\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:. \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 26/Apr/18
$${let}\:{put}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{{n}^{\mathrm{2}} −{n}+\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{let}?{drcompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{b}}{{x}+\mathrm{1}}\:\:+\frac{{c}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${c}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{b}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}\:=\:−{a}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+{b}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:=\:\mathrm{1}+{b}−{a}\:\Rightarrow{b}={a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}{ax}}{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)=\mathrm{0}\:=\:\mathrm{2}{a}\:\Rightarrow{a}=\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} =\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{but} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\rightarrow\xi\left(\mathrm{2}\right)=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$$=\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\rightarrow\xi\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:+\:\frac{\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:−\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{16}}\:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{9}}{\mathrm{16}}\:\:. \\ $$$$ \\ $$
Commented by sma3l2996 last updated on 26/Apr/18
$${I}\:{think}\:{you}\:{have}\:{an}\:{error}\:{on}\:{lines}\:\mathrm{14}\:{and}\:\mathrm{15} \\ $$$$−\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}=\frac{−\mathrm{5}}{\mathrm{4}} \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 26/Apr/18
$${yes}\:{yes}\:{you}\:{are}\:{right}\:{i}\:{will}\:{correct}\:{the}\:{answer} \\ $$$${thank}\:{you}\:{so}\:{much}\:{sir}\:{sma}\mathrm{3}{l}…. \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 26/Apr/18
$${error}\:{from}\:{line}\:\mathrm{15}\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\rightarrow_{{n}\rightarrow+\infty} \:\xi\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:+\frac{\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:−\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{16}}\:=\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{16}} \\ $$$$\bigstar{lim}\:{S}_{{n}} =\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{16}}\bigstar \\ $$
Answered by sma3l2996 last updated on 23/Apr/18
$${A}_{{n}} =\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{n}^{\mathrm{2}} −{n}+\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{{a}}{{n}−\mathrm{1}}+\frac{{b}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{{c}}{{n}+\mathrm{1}}+\frac{{d}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$${with}\:\:{a}={c}=\mathrm{0}\:\:;\:\:{b}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\:;\:\:{d}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\:\: \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{n}^{\mathrm{2}} −{n}+\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{3}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${let}\:\:{m}={n}−\mathrm{1}\:\:\:{and}\:\:\:{k}={n}+\mathrm{1} \\ $$$${so}\:\:\underset{{n}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{n}^{\mathrm{2}} −{n}+\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\underset{{m}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{m}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\underset{{k}=\mathrm{3}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\xi\left(\mathrm{2}\right)−\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }\right)\right)=\xi\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\:{with}\:\:\left(\xi\left({x}\right)\:\:{is}\:{zeta}\:{function}\right) \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}} \\ $$
Commented by prof Abdo imad last updated on 26/Apr/18
$${you}\:{have}\:{commited}\:{a}\:{error}\:{of}\:{calculus}\:{sir}\:{sma}\mathrm{3}{l}.. \\ $$
Commented by sma3l2996 last updated on 26/Apr/18
$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\xi\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\right)=\xi\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{16}} \\ $$$$=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{16}} \\ $$