Question Number 183967 by SEKRET last updated on 01/Jan/23
$$\:\:\underset{\boldsymbol{\mathrm{n}}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\boldsymbol{\mathrm{n}}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}\boldsymbol{\mathrm{n}}−\mathrm{1}}\:\:=\:\:\:? \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 01/Jan/23
$${S}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}} \\ $$$${S}\left({t}\right)=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{t}^{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}}\:\Rightarrow{S}\:'\left({t}\right)=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{t}^{\mathrm{3}{n}−\mathrm{2}} =\frac{{t}}{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{3}} } \\ $$$$\Rightarrow{S}\left({t}\right)=\int\frac{{t}}{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{3}} }{dt}=−\int\frac{{t}}{\left({t}−\mathrm{1}\right)\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)}{dt} \\ $$$$\Rightarrow{S}\left({t}\right)=−\int\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}−\mathrm{1}\right)}−\frac{{t}−\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)}\right){dt} \\ $$$$\Rightarrow{S}\left({t}\right)=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\int\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}{dt}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}}{dt} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\mathrm{ln}\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+{C} \\ $$$${S}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}=−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+{C}\:\Rightarrow{C}=\frac{\pi}{\mathrm{6}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow{S}\left({t}\right)=−\frac{\mathrm{1}}{\:\mathrm{3}}\mathrm{ln}\mid{t}−\mathrm{1}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\mathrm{ln}\left({t}^{\mathrm{2}} +{t}+\mathrm{1}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}{t}+\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+\frac{\pi}{\mathrm{6}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}}={S}\left(−\mathrm{1}\right)=−\frac{\mathrm{ln2}}{\mathrm{3}}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{arctan}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)+\frac{\pi}{\mathrm{6}\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$$$\Rightarrow\begin{array}{|c|}{\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{3}{n}−\mathrm{1}}=−\frac{\mathrm{ln2}}{\mathrm{3}}+\frac{\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}}\\\hline\end{array} \\ $$
Commented by Ar Brandon last updated on 01/Jan/23
$$\bigstar\bigstar\mathcal{H}{appy}\:\mathcal{N}{ew}\:\mathcal{Y}{ear}\:{friends}\:\bigstar\bigstar \\ $$
Commented by SEKRET last updated on 01/Jan/23
$$\:\:\boldsymbol{\mathrm{thanks}}\:\:\boldsymbol{\mathrm{sir}} \\ $$
Commented by SEKRET last updated on 01/Jan/23
$$\boldsymbol{\mathrm{thanks}}\: \\ $$
Answered by witcher3 last updated on 01/Jan/23
$$=−\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} {x}^{\mathrm{3}{n}−\mathrm{2}} {dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\left(−{x}^{\mathrm{3}} \right)^{{n}} {dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{−{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} }{dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{x}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{\left({x}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{dx} \\ $$$$=\left\{\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}−{ln}\left(\mathrm{2}\right)\right\} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)}{dx}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}−{ln}\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{dx}}{\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}} \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\mathrm{2}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{dx}}{\mathrm{1}+\left(\frac{\mathrm{2}{x}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\sqrt{\mathrm{3}.}\mathrm{2}.\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right) \\ $$$$=−{ln}\left(\mathrm{2}\right)+\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}} \\ $$
Commented by Ar Brandon last updated on 01/Jan/23
$$\left({x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)=\mathrm{3}{x} \\ $$
Commented by SEKRET last updated on 01/Jan/23
$$\boldsymbol{\mathrm{thanks}}\:\:\boldsymbol{\mathrm{sir}} \\ $$