Question Number 41051 by turbo msup by abdo last updated on 01/Aug/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}}{{n}^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 01/Aug/18
$${let}\:{S}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{2}{n}+\mathrm{3}}{{n}^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{and}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{3}}{{k}^{\mathrm{2}} \left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${we}\:{have}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} ={S}\:\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{{b}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{0}} {x}^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\:=\mathrm{3} \\ $$$${d}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\mathrm{1}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)\:=\mathrm{0}={a}+{c}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)\:=\:\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\:={a}+\mathrm{3}−\frac{{a}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:=\frac{{a}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{13}}{\mathrm{4}}\: \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{5}\:=\mathrm{2}{a}\:+\mathrm{13}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}\:=−\mathrm{8}\:\Rightarrow{a}\:=−\mathrm{4}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=−\frac{\mathrm{4}}{{x}}\:+\frac{\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{4}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{F}\left({k}\right)\:=−\mathrm{4}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{{k}}\:+\mathrm{3}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\:\mathrm{4}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−\mathrm{4}\:{H}_{{n}} \:+\:\mathrm{3}\:\xi_{{n}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\mathrm{4}\left(\:{H}_{{n}+\mathrm{1}} −\mathrm{1}\right)\:+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:−\mathrm{1} \\ $$$$=\mathrm{4}\left({H}_{{n}+\mathrm{1}} −{H}_{{n}} \right)\:+\mathrm{3}\xi_{{n}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)−\mathrm{5} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {S}_{{n}} =\mathrm{4}×\mathrm{0}\:+\mathrm{3}\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\mathrm{5} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:−\mathrm{5}\:\Rightarrow\:{S}\:=\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:−\mathrm{5}\:. \\ $$