La suma de $\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\zeta(2k+2)-1}{{2k+1}}$

Question

No tengo una idea de cómo calcular esta suma. Yo sabía que $\sum_{k=0}^{\infty}\zeta(2k+2)-1 = \frac{3}{4}$. Yo también conocí a $\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\zeta(2k)k-k}{{2k^2+k}}=\frac{1}{2}(3-ln(4\pi))$. Muchas gracias por la ayuda. La suma para calcular el es $$\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\zeta(2k+2)-1}{{2k+1}}$$

Answer 1

Por la representación integral de la $\zeta$ función $$\zeta(m)-1 = \frac{1}{(m-1)!}\int_{0}^{+\infty}\frac{x^{m-1}}{e^x(e^x-1)}\,dx$$ por lo tanto $$\begin{eqnarray*} \sum_{k\geq 0}\frac{\zeta(2k+2)-1}{2k+1}&=&\int_{0}^{+\infty}\frac{\sum_{k\geq 0}\frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!(2k+1)}}{e^x(e^x-1)}\,dx\\&\stackrel{\text{IBP}}{=}&-\int_{0}^{+\infty}\frac{\sinh x}{x}\left(e^{-x}+\log(1-e^{-x})\right)\,dx\end{eqnarray*}$$ y aprovechando el ordinario de generación de función para $\{\zeta(2k)\}_{k\geq 1}$ también tenemos $$\sum_{k\geq 0}\frac{\zeta(2k+2)-1}{2k+1}=\int_{0}^{1}\frac{1-3x^2-\pi x\cot(\pi x)+\pi x^3\cot(\pi x)}{2x^2(1-x^2)}\,dx$$ Todavía no hay ninguna "buena" forma cerrada, sino una simple numérica de tareas, desde la última integrando la función tiene un aproximadamente cuadrática comportamiento en $(0,1)$. La regla de Simpson ya da $\text{LHS}\approx\frac{2\pi^2+29}{72}\approx 0.67693$ y por el uso de los compuestos de la regla en $5$ puntos (pesos $1-4-2-4-1$) tenemos $\text{LHS}\approx\frac{29269-6720 \pi +210 \pi ^2}{15120}\approx \color{green}{0.6765}9486.$

Answer 2

Escribir $\zeta(2k+2) - 1 = \sum_{n=2}^\infty n^{-2k-2}$ e intercambio orden de la suma de dos. Puedo conseguir $$\sum_{n=2}^\infty \frac{\text{arctanh}(1/n)}{n} = \sum_{n=2}^\infty \frac{\ln((n+1)/(n-1))}{2n}$$ Sin embargo, todavía no tengo una forma cerrada.

Answer 3

A partir de Jack D'Aurizio la respuesta $$\sum_{k\geq 0}\frac{\zeta(2k+2)-1}{2k+1}=\int_{0}^{1}\frac{1-3x^2-\pi x\cot(\pi x)+\pi x^3\cot(\pi x)}{2x^2(1-x^2)}\,dx$$ the integrand can be approximated by a $[2,2]$ Padé approximant built around $x=0$.

Desde la primera y la tercera son derivados de $0$$x=0$, la expresión de la Padé approximant de una función de $F(x)$ simplifica mucho y escribir $$F(x)\approx\frac{-12 \left(F(0) F"(0)\right)+ \left(F(0) F""(0)-6 F"(0)^2\right) x^2} {-12 F"(0)+F""(0)\, x^2 }$$ de decisiones $$\int F(x)\,dx=\left(F(0)-\frac{6 F"(0)^2}{F""(0)}\right)x+\frac{12 \sqrt{3} F"(0)^{5/2} }{F""(0)^{3/2}}\tanh ^{-1}\left(\frac{\sqrt{F""(0)} }{2 \sqrt{3F"(0)}}x\right)$$ En la que se considera problema, tenemos $$F(0)=\frac{\pi ^2}{6}-1 \qquad F''(0)=\frac{\pi ^4}{45}-2\qquad F''''(0)=\frac{8 \pi ^6}{315}-24$$ de decisiones $$\frac{1-3x^2-\pi x\cuna(\pi x)+\pi x^3\cuna(\pi x)}{2x^2(1-x^2)}\approx \frac{\frac{\pi ^2 a 6}{6} +\frac{\left(3150 \pi ^2-420 \pi ^4+20 \pi ^6-\pi ^8\right) }{210 \left(\pi ^4-90\right)}x^2 }{1-\frac{2 \left(\pi ^6-945\right) }{21 \left(\pi ^4-90\right)}x^2 }$$ para que la antiderivada es $$\frac{\pi ^2 \left(-3150+420 \pi ^2 a 20 \pi ^4+\pi ^6\right) x}{20 \left(\pi ^6-945\right)}+\frac{7 \sqrt{{7}} \left(\pi ^4-90\right)^{5/2} \tanh ^{-1}\left(\sqrt{\frac{2 \left(\pi ^6-945\right)}{21 \left(\pi ^4-90\right)}} x\right)}{20 \sqrt 6 \left(\pi ^6-945\right)^{3/2}}$$ Integrating between $0$ and $1$, we get an ugly expression which is $\aprox 0.676469$ while the numerical evaluation of Jack D'Aurizio's integral gives $\aprox 0.676565$.

Editar

Más tedioso pero todavía viable, podríamos construir el $[4,2]$ Padé approximant. El resultado es $\approx 0.676558$.

Answer 4

$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[15px,border:1px groove armada]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ $\ds{\sum_{k = 0}^{\infty}{\zeta\pars{2k + 2} - 1 \over 2k + 1}:\ {\Large ?}}$.

Tenga en cuenta que $\pars{~\mbox{see}\ \color{#000}{\textbf{6.3.14}}\ \mbox{in A & S Table}~}$ $\ds{\left.\vphantom{\Large} \Psi\pars{1 + z}\right\vert_{\ \verts{z} < 1} = -\gamma + \sum_{n = 2}^{\infty}\pars{-1}^{n}\,\zeta\pars{n}z^{n - 1}}$ where $\ds{\Psi}$ and $\ds{\gamma}$ son la Función Digamma y de Euler Constante, respectivamente.

Luego, con $\ds{\verts{z} < 1}$, $$\begin{align} \Psi\pars{1 + z} & = -\gamma + \sum_{k = 2}^{\infty}\pars{-1}^{k}\,\zeta\pars{k}z^{k - 1} \\ \Psi\pars{1 - z} & = -\gamma - \sum_{k = 2}^{\infty}\,\zeta\pars{k}z^{k - 1} \end{align}$$ lo que conduce a $$\begin{align} \Psi\pars{1 + z} - \Psi\pars{1 - z} & = \sum_{k = 2}^{\infty}\bracks{\pars{-1}^{k} + 1}\,\zeta\pars{k}z^{k - 1} = \sum_{k = 0}^{\infty}2\,\zeta\pars{2k + 2}z^{2k + 1} \\[2mm] \mbox{and}\ {\Psi\pars{1 + z} - \Psi\pars{1 - z} \over 2z} - {1 \over 1 - z^{2}} & = \sum_{k = 0}^{\infty}\bracks{\zeta\pars{2k + 2} - 1}z^{2k} \end{align}$$

La integración de más de $\ds{\left[0,1\right)}$:

$$\begin{align} \sum_{k = 0}^{\infty}{\zeta\pars{2k + 2} - 1 \over 2k + 1} & = \int_{0}^{1}\bracks{% {\Psi\pars{1 + z} - \Psi\pars{1 - z} \over 2z} - {1 \over 1 - z^{2}}}\dd z \\[5mm] & = \int_{0}^{1}\braces{% {\bracks{\Psi\pars{z} + 1/z} - \Psi\pars{1 - z} \over 2z} - {1 \over 1 - z^{2}}}\dd z \\[5mm] & = \int_{0}^{1}\braces{% -\,{\bracks{\Psi\pars{1 - z} - \Psi\pars{z}} - 1/z \over 2z} - {1 \over 1 - z^{2}}}\dd z \\[5mm] & = \int_{0}^{1}\bracks{% -\,{\pi\cot\pars{\pi z} - 1/z \over 2z} - {1 \over 1 - z^{2}}}\dd z \\[5mm] & = {1 \over 2}\int_{0}^{1}\bracks{% {1 - \pi z\cot\pars{\pi z} \over z^{2}} - {2 \over 1 - z^{2}}}\dd z \\[5mm] & = {1 \over 2}\int_{0}^{1}\bracks{% {1 - \pi z\cot\pars{\pi z} \over z^{2}} - {1 \over 1 - z}}\dd z - {1 \over 2}\int_{0}^{1}{\dd z \over 1 + z} \end{align}$$

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$$\bbx{\ds{\sum_{k = 0}^{\infty}{\zeta\pars{2k + 2} - 1 \sobre 2k + 1} = {1 \over 2}\ \underbrace{\int_{0}^{1}\bracks{% {1 - \pi z\cuna\pars{\pi z} \over z^{2}} - {1 \over 1 - z}}\dd z} _{\ds{\mbox{Numéricamente}\ \aprox 2.0463}}\ -\ {1 \over 2}\,\ln\pars{2} \approx 0.6766}}$$