Question Number 166754 by mathlove last updated on 27/Feb/22
Answered by mindispower last updated on 28/Feb/22
$${S}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{{m}} {\sum}}{cot}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{n}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}\right),\underset{\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}{cot}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{n}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}\right)=\mathrm{2}{S} \\ $$$${put}\:{z}_{{k}} ={e}^{\frac{{ik}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}} \\ $$$${cot}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}\right)=\left({i}\frac{{z}_{{k}} ^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{z}_{{k}} ^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} =−\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{{z}_{{k}} ^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=−\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} −\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} +\mathrm{1}}\right) \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}{cot}^{\mathrm{2}} \left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}\right)=\mathrm{2}{S}\Leftrightarrow \\ $$$$−\mathrm{2}{S}=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} −\mathrm{1}}−\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} +\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right){q} \\ $$$${Put}\:{P}\left({x}\right)=\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}{x}^{{k}} ,{P}\left({x}\right)=\mathrm{0}\Rightarrow{x}\in\left\{{x}_{{k}} \right\}_{{k}\in\left[\mathrm{1},\mathrm{2}{m}\right]} ,{x}_{{k}} ={e}^{\frac{\mathrm{2}{ik}\pi}{\mathrm{2}{m}+\mathrm{1}}} \\ $$$${We}\:{Have} \\ $$$$\frac{{P}'\left({x}\right)}{{p}\left({x}\right)}=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{X}−{x}_{{k}} }\Rightarrow\frac{{P}'^{\mathrm{2}} \left({x}\right)−{p}\left({x}\right){p}''\left({x}\right)}{{p}^{\mathrm{2}} \left({x}\right)}=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−{x}_{{k}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} −\mathrm{1}}=\frac{−{P}'\left(\mathrm{1}\right)}{{P}\left(\mathrm{1}\right)}=−{m} \\ $$$$−\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{z}_{{k}} +\mathrm{1}}=\frac{{P}'\left(−\mathrm{1}\right)}{{P}\left(\mathrm{1}\right)}=−{m} \\ $$$${p}''\left(\mathrm{1}\right)=\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}{m}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{m}^{\mathrm{2}} +{m}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$${p}''\left(−\mathrm{1}\right)=\mathrm{2}{m}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=\frac{−{m}\left({m}−\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{2}{m}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\left({z}_{{k}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }=−{m}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow−\mathrm{2}{S}=\mathrm{2}{m}−{m}−{m}−\frac{{m}\left({m}−\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}−{m}^{\mathrm{2}} \\ $$$$−\mathrm{2}{S}=\frac{−\mathrm{4}{m}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{m}}{\mathrm{3}}\Rightarrow{S}=\frac{{m}\left(\mathrm{2}{m}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$$ \\ $$