Question Number 63665 by mathmax by abdo last updated on 07/Jul/19
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 07/Jul/19
$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{e}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {x}^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\mathrm{1} \\ $$$${e}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} {F}\left({x}\right)=\mathrm{1}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\left\{\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:−\mathrm{1}\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\left\{\frac{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{3}} −\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}{x}−\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\right\} \\ $$$$=−\frac{{x}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}{x}}{{x}^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:=−\frac{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}{x}\:+\mathrm{3}}{{x}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow \\ $$$$−\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}{x}\:+\mathrm{3}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:={a}\:+\frac{{cx}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{dx}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{x}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\left({x}\rightarrow\mathrm{0}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${a}\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)\:=−\frac{\mathrm{3}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)=\mathrm{0}\:=−\mathrm{3}\:+{c}\:\Rightarrow{c}=\mathrm{3}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=−\frac{\mathrm{3}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{d}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$\mathrm{F}\left(−\mathrm{2}\right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:−\mathrm{3}\:+{d}\:−\mathrm{1}\:=\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{4}}−\mathrm{4}\:+{d}\:\Rightarrow \\ $$$${d}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{4}}\:+\mathrm{4}\:=−\mathrm{2}+\mathrm{4}\:=\mathrm{2}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{−\mathrm{3}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${S}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {F}\left({n}\right)\:=−\mathrm{3}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}}\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\mathrm{2}\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:\:{we}\:{have}\: \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{x}^{{n}} }{{n}}\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{x}\right)\:\:{if}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\Rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}}\:=−{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$${if}\:\delta\left({x}\right)\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{{x}} }\:\:\:\:{we}\:{have}\:{proved}\:{that}\:\delta\left({x}\right)=\left(\mathrm{2}^{\mathrm{1}−{x}} −\mathrm{1}\right)\xi\left({x}\right) \\ $$$$\Rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\left(\mathrm{2}^{−\mathrm{1}} −\mathrm{1}\right)\xi\left(\mathrm{2}\right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:=−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−\left\{−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:+\mathrm{1}\right\}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:−\mathrm{1}\:\:{also} \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} }{{n}^{\mathrm{3}} }\:=−\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=−\left\{\:\delta\left(\mathrm{3}\right)\:+\mathrm{1}\right\}\:=−\left(\mathrm{2}^{−\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\xi\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{1}\:=−\left(−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right)\xi\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{1} \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${S}\:=\:\mathrm{3}{ln}\left(\mathrm{2}\right)−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:+\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:−\mathrm{2}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{1} \\ $$$$=\mathrm{3}{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\xi\left(\mathrm{3}\right)−\mathrm{3}\:. \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$