Question Number 159379 by HongKing last updated on 16/Nov/21
$$\mathrm{let}\:\:\boldsymbol{\mathrm{S}}\left(\mathrm{x}\right)\:=\underset{\boldsymbol{\mathrm{n}}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\mathrm{3x}\right)^{\boldsymbol{\mathrm{n}}+\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{using}\:\mathrm{the}\:\mathrm{sum}\:\mathrm{above}\:\mathrm{find}: \\ $$$$\underset{\boldsymbol{\mathrm{n}}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\:\frac{\left(-\mathrm{1}\right)^{\boldsymbol{\mathrm{n}}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}^{\boldsymbol{\mathrm{n}}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}\:+\:\mathrm{3}\right)}\: \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 16/Nov/21
$$\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{n}+\mathrm{3}}=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {x}^{{n}+\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$=−\mathrm{3}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\right)^{{n}+\mathrm{2}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {x}^{{n}+\mathrm{2}} {dx}=−\mathrm{3}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\frac{{x}}{\mathrm{3}}\right)^{{n}+\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$=−\mathrm{3}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{9}}}{\mathrm{1}+\frac{{x}}{\mathrm{3}}}{dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}+{x}}{dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\left({x}+\mathrm{3}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{6}\left({x}+\mathrm{3}\right)+\mathrm{9}}{{x}+\mathrm{3}}{dx} \\ $$$$=−\left[\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}+\mathrm{3}{x}−\mathrm{6}{x}+\mathrm{9ln}\left({x}+\mathrm{3}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\mathrm{9ln3}+\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}−\mathrm{9ln4}=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}+\mathrm{9ln}\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$
Commented by HongKing last updated on 16/Nov/21
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{so}\:\mathrm{much}\:\mathrm{my}\:\mathrm{dear}\:\boldsymbol{\mathrm{S}}\mathrm{er}\:\mathrm{cool} \\ $$
Commented by HongKing last updated on 16/Nov/21
$$\mathrm{my}\:\mathrm{dear}\:\mathrm{Ser},\:\mathrm{but}\:\mathrm{they}\:\mathrm{said}\:\mathrm{use}\:\mathrm{the}\:\mathrm{first} \\ $$$$\mathrm{sum}\:\mathrm{S}\left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{to}\:\mathrm{evaluate}\:\mathrm{the}\:\mathrm{new}\:\mathrm{one} \\ $$
Commented by Ar Brandon last updated on 16/Nov/21
Answered by Ar Brandon last updated on 16/Nov/21
$${S}\left({x}\right)=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\mathrm{3}{x}\right)^{{n}+\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{9}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}}=\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}\right)+\mathrm{1}}{\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}} \\ $$$$\int{S}\left({x}\right){dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(\mathrm{3}{x}\right)^{{n}+\mathrm{3}} }{{n}+\mathrm{3}}+{C}={x}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{x}−\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}\right)}{\mathrm{3}}+{C} \\ $$$$\int{S}\left(\mathrm{0}\right){dx}=\mathrm{0}={C}\Rightarrow\int{S}\left({x}\right){dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(\mathrm{3}{x}\right)^{{n}+\mathrm{3}} }{{n}+\mathrm{3}}=−{x}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}{x}^{\mathrm{2}} −\frac{\mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\mathrm{3}{x}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$$\int{S}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{9}}\right){dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{3}} }{\mathrm{3}^{{n}+\mathrm{3}} \left({n}+\mathrm{3}\right)}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{9}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{54}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\right) \\ $$$$\Rightarrow\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}^{{n}+\mathrm{1}} \left({n}+\mathrm{3}\right)}=\mathrm{3}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\mathrm{9ln}\left(\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\right)=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}−\mathrm{9ln}\left(\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\right) \\ $$
Commented by HongKing last updated on 16/Nov/21
$$\mathrm{perfect},\:\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{so}\:\mathrm{much}\:\mathrm{my}\:\mathrm{dear}\:\mathrm{Ser} \\ $$
Commented by Ar Brandon last updated on 16/Nov/21
You're welcome, Sir.