Question Number 46852 by maxmathsup by imad last updated on 01/Nov/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{n}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}^{{n}} } \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 02/Nov/18
$${we}\:{have}\:{proved}\:{that}\:{for}\:\mid{x}\mid<\mathrm{1}\:\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{nx}^{{n}} \:=\frac{{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{n}^{\mathrm{2}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \:=\frac{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{x}\left(\mathrm{1}−{x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} }\:=\:\frac{\mathrm{1}−{x}\:+\mathrm{2}{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }=\frac{{x}+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }\Rightarrow \\ $$$$\:{n}^{\mathrm{2}} {x}^{{n}} \:\:=\frac{{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{n}^{\mathrm{3}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \:=\frac{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}^{\mathrm{2}} +{x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{6}} } \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\mathrm{3}\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} }\:=\frac{\mathrm{2}{x}−\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−{x}\:\:+\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3}{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} }\:=\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{x}\:+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{n}^{\mathrm{3}} {x}^{{n}} \:=\frac{{x}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$${x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{n}^{\mathrm{3}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)^{{n}} \:=\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{27}}+\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{9}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}}{\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{4}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{27}}\:\frac{\mathrm{1}\:+\mathrm{12}+\mathrm{9}}{\frac{\mathrm{2}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{3}^{\mathrm{4}} }}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{27}}\:\frac{\mathrm{3}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{4}} }\:.\mathrm{22} \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}.\mathrm{2}}\:.\frac{\mathrm{11}.\mathrm{2}}{\mathrm{1}}\:\:=\frac{\mathrm{33}}{\mathrm{8}}\:\Rightarrow\:\bigstar\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{n}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}^{{n}} }\:\:=\frac{\mathrm{33}}{\mathrm{8}}\:\bigstar \\ $$
Answered by Smail last updated on 02/Nov/18
$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{x}}=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}{x}^{{n}} \:\:{with}\:\:\mid{x}\mid<\mathrm{1} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{nx}^{{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$\frac{{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{2}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{nx}^{{n}} \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}+{x}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{n}^{\mathrm{2}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} \Leftrightarrow\frac{−{x}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{3}} }=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{n}^{\mathrm{2}} {x}^{{n}} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{n}^{\mathrm{3}} {x}^{{n}−\mathrm{1}} =\frac{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{1}−{x}\right)+\mathrm{3}{x}\left(\mathrm{1}+{x}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$=\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{x}+\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{n}^{\mathrm{3}} {x}^{{n}} =\frac{{x}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{x}+\mathrm{1}\right)}{\left(\mathrm{1}−{x}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$${x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}} \\ $$$$\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{n}^{\mathrm{3}} }{\mathrm{3}^{{n}} }=\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{9}}+\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}+\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{4}} }=\frac{\mathrm{33}}{\mathrm{8}} \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 02/Nov/18
$${correct}\:{answer}\:{thanks}\:{sir}\:. \\ $$
Commented by Smail last updated on 02/Nov/18
$${Thank}\:{you}\:{for}\:{posting}\:{quistions}\:{like}\:{this}. \\ $$