Question Number 33591 by abdo imad last updated on 19/Apr/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{3}} \:\:+\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{n}}\:. \\ $$
Commented by abdo imad last updated on 20/Apr/18
$${let}\:{put}\:{S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}}{{k}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{3}{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}}\:\:{we}\:{have} \\ $$$${k}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{3}{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}\:={k}\left(\:{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}{k}\:+\mathrm{2}\right)={k}\left(\:{k}^{\mathrm{2}} \:+{k}\:+\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}\right) \\ $$$$={k}\:\left({k}\left({k}+\mathrm{1}\right)\:+\mathrm{2}\left({k}+\mathrm{1}\right)\right)={k}\left({k}+\mathrm{1}\right)\left({k}+\mathrm{2}\right)\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{2}}{{x}\left({x}+\mathrm{1}\right)\left({x}+\mathrm{2}\right)}\:=\:\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{2}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {xF}\left({x}\right)\:=\:\mathrm{1} \\ $$$${b}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right){F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{2}}{\left(−\mathrm{1}\right).\mathrm{1}}\:=−\mathrm{2} \\ $$$${c}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{2}\right){F}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{2}}{\left(−\mathrm{2}\right)\left(−\mathrm{1}\right)}\:=\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:−\frac{\mathrm{2}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{2}}\:\:{and} \\ $$$${S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left(\:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:−\frac{\mathrm{2}}{{k}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{2}}\right)=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:−\mathrm{2}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{2}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:=\:{H}_{{n}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:={H}_{{n}+\mathrm{1}} \:\:−\mathrm{1} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{2}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:\:\:=\:{H}_{{n}+\mathrm{2}} \:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} \:=\:{H}_{{n}} \:−\mathrm{2}\left(\:{H}_{{n}+\mathrm{1}} \:−\mathrm{1}\right)\:+{H}_{{n}+\mathrm{2}} \:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}} \\ $$$${S}_{{n}} \:={H}_{{n}} \:+{H}_{{n}+\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}{H}_{{n}+\mathrm{1}} \:\:+\mathrm{2}\:−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:={H}_{{n}} \:+{H}_{{n}+\mathrm{2}} \:−\mathrm{2}{H}_{{n}+\mathrm{1}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$${but}\:{H}_{{n}} =\:{ln}\left({n}\right)\:+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$${H}_{{n}+\mathrm{2}} \:={ln}\left({n}+\mathrm{2}\right)\:+\gamma\:\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$${H}_{{n}+\mathrm{1}} \:=\:{ln}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:+\gamma\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} ={ln}\left({n}\left({n}+\mathrm{2}\right)\right)\:+\mathrm{2}\gamma\:\:−\mathrm{2}{ln}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:−\mathrm{2}\gamma\:\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$={ln}\left(\frac{{n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{n}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {S}_{{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$$\bigstar\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{n}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\bigstar \\ $$
Answered by sma3l2996 last updated on 19/Apr/18
$$ \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{n}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{n}}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}+\mathrm{2}\right)} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}+\mathrm{2}\right)}=\frac{{a}}{{n}}+\frac{{b}}{{n}+\mathrm{1}}+\frac{{c}}{{n}+\mathrm{2}} \\ $$$${a}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:;\:{b}=−\mathrm{1}\:;\:{c}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}+\mathrm{2}\right)}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{2}}{{n}+\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{2}}\right) \\ $$$$=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{n}+\mathrm{1}}+\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{2}} \\ $$$${let}\:\:{l}={n}+\mathrm{1}\:\:{and}\:\:{k}={n}+\mathrm{2} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}+\mathrm{2}\right)}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\underset{{l}=\mathrm{2}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{l}}+\underset{{k}=\mathrm{3}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{k}} \\ $$$$=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\left(\underset{{l}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{l}}−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{1}}\right)+\left(\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{k}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\underset{{l}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{2}}{{l}}+\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{k}}+\mathrm{2}−\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{2}}{{n}}+\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$