5 votos

Cómo mostrar que$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_n}{n}\cos\left(\frac{n\pi}{3}\right)=-\frac{\pi^2}{36}$

He aprendido en www.pi314.net que $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_n}{n}\cos\left(\frac{n\pi}{3}\right)=-\frac{\pi^2}{36}$$

Este resultado es difícil de verificar el uso de Wolfram Alpha desde que la serie converge muy lentamente.

No sé cómo demostrar este resultado.

Traté de volver a escribir la serie original como $$\sum_{k\geq1} \frac{1}{k}\sum_{n\geq k}\frac{\cos\left(\frac{n\pi}{3}\right)}{n}$$ Sé que $$\sum_{n\geq 1}\frac{\cos\left(\frac{n\pi}{3}\right)}{n}=0$$ Pero desde $n$ comienza a partir de $k$, no puedo continuar a partir de aquí. Cualquier sugerencia?

2voto

omegadot Puntos 156

Quizás es en la extracción de los valores que están teniendo problemas con el. Si es así, aquí es un lugar (tedioso y laborioso) manera de hacerlo.

De Eq. (590) en el enlace, uno tiene $$\sum_{n = 1}^\infty \frac{H_n x^n}{n} = \operatorname{Li}_2 (x) + \frac{1}{2} \ln^2 (1 - x).$$ Establecimiento $x = e^{i\pi /3}$ vemos que \begin{align} \sum_{n = 1}^\infty \frac{H_n}{n} \cos \left (\frac{n \pi}{3} \right ) &= \operatorname{Re} \sum_{n = 1}^\infty \frac{H_n}{n} e^{i \pi n/3}\\ &= \operatorname{Re} \left [\operatorname{Li}_2 \left (e^{i\pi/3} \right ) + \frac{1}{2} \ln^2 \left (1 - e^{i \pi/3} \right ) \right ]. \end{align}

El registro de término puede ser eliminado inmediatamente. Aquí $$\ln (1 - e^{i \pi/3}) = -\frac{i \pi}{3}.$$

Para el dilogarithm plazo, $\operatorname{Re} \operatorname{Li}_2 (e^{i \theta})$ es una función primaria (por una razón de por qué, ver aquí), y supone un valor para este término puede ser encontrado. Lo que presento a continuación es una manera de encontrar (y no hay duda de otros, maneras más simples).

Comenzando con la serie de la representación de la dilogarithm función, tenemos \begin{align} \operatorname{Re} \left [\operatorname{Li}_2 (e^{i \pi/3}) \right ] &= \operatorname{Re} \sum_{n = 1}^\infty \frac{e^{in \pi/3}}{n^2}\\ &= \sum_{n = 1}^\infty \frac{\cos \left (\frac{n \pi}{3} \right )}{n^2}\\ &= \sum_{\substack{n = 1\\n \in 6,12,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2} - \sum_{\substack{n = 1\\n \in 3,9,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2} + \frac{1}{2} \sum_{\substack{n = 1\\n \in 1,7,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2}\\ & \quad - \frac{1}{2} \sum_{\substack{n = 1\\n \in 2,8,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2} + \frac{1}{2} \sum_{\substack{n = 1\\n \in 5,11,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2} - \frac{1}{2} \sum_{\substack{n = 1\\n \in 4,10,\ldots}}^\infty \frac{1}{n^2}. \end{align} Términos de la serie se pueden cambiar a medida que la serie converge absolutamente. Cambio de los índices de la siguiente manera: $n \mapsto 6n$, $n \mapsto 6n + 3$, $n \mapsto 6n +1$, $n \mapsto 6n + 2$, $n \mapsto 6n + 5$, $n \mapsto 6n + 4$ conduce a \begin{align} \operatorname{Re} \left [\operatorname{Li}_2 (e^{i \pi/3}) \right ] &= \frac{1}{36} \sum_{n =1}^\infty \frac{1}{n^2} - \frac{1}{36} \sum_{n = 0}^\infty \frac{1}{(n + 1/2)^2} + \frac{1}{72} \sum_{n = 0}^\infty \frac{1}{(n + 1/6)^2}\\ & \quad - \frac{1}{72} \sum_{n = 0}^\infty \frac{1}{(n + 1/3)^2} + \frac{1}{72} \sum_{n = 0}^\infty \frac{1}{(n + 5/6)^2} - \frac{1}{72} \sum_{n = 0}^\infty \frac{1}{(n + 2/3)^2}\\ &= \frac{1}{72} \left [2 \cdot \zeta (2) - 2 \psi^{(1)} \left (\frac{1}{2} \right ) + \psi^{(1)} \left (\frac{5}{6} \right ) + \psi^{(1)} \left (\frac{1}{6} \right ) - \psi^{(1)} \left (\frac{2}{3} \right ) - \psi^{(1)} \left (\frac{1}{3} \right ) \right ], \end{align} donde $\psi^{(1)} (z)$ es el polygamma función (trigamma función).

Usando los valores conocidos de $\zeta (2) = \pi^2/6$, $\psi^{(1)} (1/2) = \pi^2/2$, y haciendo uso de la reflexión de la relación de la trigamma función de $$\psi^{(1)} (1 - z) + \psi^{(1)} (z) = \pi^2 \csc^2 (\pi z),$$ vemos que $$\operatorname{Re} \left [\operatorname{Li}_2 (e^{i \pi/3}) \right ] = \frac{1}{72} \left [2 \cdot \frac{\pi^2}{6} - 2 \cdot \frac{\pi^2}{2} + 4 \pi^2 - \frac{4 \pi^2}{3} \right ] = \frac{\pi^2}{36}.$$

Así $$\sum_{n = 1}^\infty \frac{H_n}{n} \cos \left (\frac{n \pi}{3} \right ) = \frac{\pi^2}{36} - \frac{\pi^2}{18} = -\frac{\pi^2}{36},$$ como se desee.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X