Question Number 36819 by maxmathsup by imad last updated on 06/Jun/18
$${find}\:{the}\:{value}\:{of}\:{the}\:{sum}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Aug/18
$${let}\:{S}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\:\Rightarrow{S}={lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} \:\:{let}\:{decompose} \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{{b}}{\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{d}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${b}\:={lim}_{{x}\rightarrow\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\:\:\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$${d}={lim}_{{x}\rightarrow−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:\:\:\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} {F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{{c}}{\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} \:{xF}\left({x}\right)=\mathrm{0}\:=\frac{{a}}{\mathrm{2}}\:+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{c}=−{a}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}\:−\frac{{a}}{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}\:+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{1}\:=−\mathrm{2}{a}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{2}{a}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow{a}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left(\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{F}\left({k}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:−\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}{but} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}\right)\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left({u}_{{n}} −{u}_{{n}−\mathrm{1}} \right)\:\:\:\:\:\left({u}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$={u}_{{n}} \:−{u}_{\mathrm{0}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:−\mathrm{1}\:\:\:{also}\: \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=_{{k}={j}+\mathrm{1}} \:\:\sum_{{j}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{j}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1}\:\rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:−\mathrm{1} \\ $$$${we}\:{have}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}{n}^{\mathrm{2}} }\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:+\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\sum_{{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{6}}\:−\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:=\frac{\mathrm{3}\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{24}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{} \:\:\:{S}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{−\mathrm{1}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:+\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{8}}\:−\mathrm{1}\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left\{\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:−\mathrm{2}\right\}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$${S}=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{16}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:. \\ $$$$ \\ $$