Question Number 36820 by maxmathsup by imad last updated on 06/Jun/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:\sum_{{n}=\mathrm{2}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\: \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 24/Jun/18
$${let}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{2}{S}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:{we}\:{have}\:{S}={lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {S}_{{n}} \\ $$$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}={lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${d}={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \:\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)=\mathrm{0}={a}+{c}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{{x}−\mathrm{1}}\:−\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{1}=−\mathrm{2}{a}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow−\mathrm{2}{a}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{a}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{4}{S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:−\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}−\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$+\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:{but} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}+\mathrm{1}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{k}}=\:{H}_{{n}+\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}−\mathrm{1}}\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}}\:={H}_{{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{2}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{k}=\mathrm{3}} ^{{n}+\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} }\:=\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{4}{S}_{{n}} =\:{H}_{{n}+\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:−{H}_{{n}−\mathrm{1}} \:\:+\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\mathrm{4}{S}_{{n}} =\gamma\:+{ln}\left({n}+\mathrm{1}\right)\:+{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)−\gamma−{ln}\left({n}−\mathrm{1}\right)−{o}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$$+\xi_{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)+\xi_{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\right)\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{4}\:{S}_{{n}} \:\rightarrow\:\frac{\mathrm{2}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}}\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}}\:−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{16}}\:=\:{S}. \\ $$$$ \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 06/Jun/18
$${T}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)−\left({n}−\mathrm{1}\right)}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)−\left({n}−\mathrm{1}\right)}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)−\left({n}−\mathrm{1}\right)}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$ \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)}− \\ $$$$\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${so} \\ $$$${S}_{{n}} ={S}_{\mathrm{1}} −{S}_{\mathrm{2}} +{S}_{\mathrm{3}} \:\:\:\:\:\:\left({n}>\mathrm{1}\right) \\ $$$${S}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{2}} }+…..\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}} \\ $$$${S}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)−\left({n}−\mathrm{1}\right)}{\left({n}+\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)}\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{{n}−\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$=\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}+…\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}…\right)\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}} \\ $$$${S}_{\mathrm{3}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\left\{\frac{\mathrm{1}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}^{\mathrm{2}} }+….\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\left(\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$${S}_{{n}} ={S}_{\mathrm{1}} −{S}_{\mathrm{2}} +{S}_{\mathrm{3}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left(\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\left\{\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}+\frac{\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{4}}\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\left\{\frac{\mathrm{2}\prod^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}−\frac{\mathrm{11}}{\mathrm{4}}\right\} \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 24/Jun/18
$${correct}\:{answer}\:{sir}\:{Tanmay}… \\ $$