23 votos

Cómo encontrar esta suma de $I_n=\sum_{k=0}^{n}\frac{H_{k+1}H_{n-k+1}}{k+2}$

$$I_n=\sum_{k=0}^{n}\dfrac{H_{k+1}H_{n-k+1}}{k+2}$$

donde $$H_{n}=1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n}$$

yo:ya $$I_n=\dfrac{1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}}{2}+\dfrac{\left(1+\dfrac{1}{2}\right)\left(1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n}\right)}{3}+\cdots+\dfrac{1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}}{n+2}$$ $$I_n=\dfrac{1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}}{n+2}+\dfrac{\left(1+\dfrac{1}{2}\right)\left(1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n}\right)}{n+1}+\cdots+\dfrac{1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}}{2}$$ así $$2I_n=\left(1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}\right)\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{n+2}\right)+\left(1+\dfrac{1}{2}\right)\left(1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n}\right)\left(\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{n+1}\right)+\cdots+\left(1+\dfrac{1}{2}+\cdots+\dfrac{1}{n+1}\right)\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{n+2}\right)$$ Tal vez esta prueba no es útil, así que creo que el uso de otros métodos para resolverlo .

Muchas gracias!

10voto

Roger Hoover Puntos 56

Hay muchos buenos identidades jugando aquí: $$\sum_{j+k=u}\frac{1}{jk}=\frac{2H_{u-1}}{u}\etiqueta{1},$$ $$\sum_{h=1}^{n}\frac{H_h}{h}=\frac{1}{2}\left(H_n^2+H_n^{(2)}\right)\etiqueta{2},$$ $$\sum_{h=1}^{n}\frac{H_{h-1}}{h}=\frac{1}{2}\left(H_n^2-H_n^{(2)}\right)\etiqueta{3},$$ $$\sum_{j=1}^{n}\frac{H_j}{n+1-j}=H_{n+1}^2-H_{n+1}^{(2)}\la etiqueta{4}.$$ Pruebas: $$(1)\quad \sum_{j+k=u}\frac{1}{jk}=\sum_{j=1}^{u-1}\frac{1}{j(u-j)}=\frac{1}{u}\sum_{j=1}^{u-1}\left(\frac{1}{j}+\frac{1}{u-j}\right)=\frac{2H_{u-1}}{u}.$$ $$(2,3)\quad H_n^2=H_n^{(2)}+2\sum_{j=1}^{n}\frac{1}{j}\sum_{k<j}\frac{1}{k}=H_n^{(2)}+2\sum_{j=1}^{n}\frac{H_{j-1}}{j}=-H_n^{(2)}+2\sum_{j=1}^{n}\frac{H_{j}}{j}.$$ Mediante la definición de $H_0=0$, tenemos: $$(4)\quad\sum_{j=1}^{n}\frac{H_j}{n+1-j}=[x^{n+1}]\frac{\log^2(1-x)}{1-x},$$ pero sabemos que la serie de coeficientes de $\log^2(1-x)$, entonces: $$(4)\quad\sum_{j=1}^{n}\frac{H_j}{n+1-j}=\sum_{k=1}^{n+1}\frac{2H_{k-1}}{k}$$ y $(4)$ de la siguiente manera a partir de $(3)$. Ahora vamos a jugar un poco con la última identidad que Greg Martin demostró: $$I_n = \frac{1}{2}\sum_{i+j+k\leq n+3}\frac{1}{ijk}=\frac{1}{2}\sum_{t=3}^{n+3}\sum_{i+j+k=t}\frac{1}{ijk}=\frac{1}{2}\sum_{h=3}^{n+3}\sum_{i=1}^{t-2}\frac{1}{i}\sum_{j+k=t-i}\frac{1}{jk};$$ el uso de $(1)$ tenemos: $$I_n=\sum_{t=3}^{n+3}\sum_{i=1}^{t-2}\frac{H_{t-i-1}}{i(t-i)}=\sum_{t=3}^{n+3}\frac{1}{t}\sum_{i=1}^{t-2}H_{t-i-1}\left(\frac{1}{i}+\frac{1}{t-i}\right),$$ a continuación, volver a indexar el interior de la suma: $$I_n=\sum_{t=3}^{n+3}\frac{1}{t}\sum_{i=1}^{t-2}H_{i}\left(\frac{1}{t-i-1}+\frac{1}{i+1}\right),$$ donde: $$\sum_{i=1}^{t-2}\frac{H_i}{i+1}=\sum_{i=1}^{t-1}\frac{H_{i-1}}{i}=\frac{1}{2}\left(H_{t-1}^2-H_{t-1}^{(2)}\right)$$ por $(3)$ y $$\sum_{i=1}^{t-2}\frac{H_i}{t-1-i}=H_{t-1}^2-H_{t-1}^{(2)}$$ por $(4)$. Poniendo todo junto, se obtiene: $$I_n=\frac{3}{2}\sum_{t=3}^{n+3}\frac{H_{t-1}^2-H_{t-1}^{(2)}}{t}.\la etiqueta{5}$$ Esto le da a ese $I_n$ se comporta como $\frac{1}{2}\log^3$n.

La parte de debajo de esta línea es superado por mi próxima respuesta.


Por otra parte, la sumación por partes, se obtiene: $$\sum_{k=1}^{m+1}\frac{H_{k-1}^{(2)}}{k}=H_{m}^{(2)}H_{m+1}-\sum_{j=1}^m \frac{H_j}{j^2},$$ $$\sum_{k=1}^{m+1}\frac{H_{k-1}^{2}}{k}=H_{m}^{2}H_{m+1}-\sum_{j=1}^m \frac{(H_j+H_{j-1})H_j}{j}=H_{m}^{2}H_{m+1}-\sum_{j=1}^m \frac{(2H_{j-1}+1/j)(H_{j-1}+1/j)}{j},$$ así: $$\sum_{k=1}^{m+1}\frac{H_{k-1}^{2}}{k}=H_{m}^{2}H_{m+1}-2\sum_{j=1}^{m}\frac{H_{j-1}^2}{j}-3\sum_{j=1}^m\frac{H_{j-1}}{j^2}-H_{m}^{(3)},$$ y reordenando, se obtiene: $$\sum_{k=1}^{m+1}\frac{H_{k-1}^{2}}{k}=\frac{1}{3}H_{m}^{2}H_{m+1}+\frac{2H_m^2}{3(m+1)}-\sum_{j=1}^m\frac{H_{j-1}}{j^2}-\frac{1}{3}H_m^{(3)}.$$ Sumando todo, tenemos que $(5)$ puede ser escrita en la forma siguiente: $$I_{n}=\frac{1}{2}H_{n+2}^2 H_{n+3}+\frac{H_{n+2}^2}{n+3}-\frac{3}{2}H_{n+2}^{(2)}H_{n+3}+H_{n+2}^{(3)}+\frac{3}{2}\sum_{j=1}^{n+2}\frac{H_j}{j^2}.\tag{6}$$ La última suma es ahora claramente delimitado por una absoluta constante ($\zeta(3)$, para istance), y creo firmemente que no simplificar aún más (me equivoqué).

8voto

ND Geek Puntos 880

No es una respuesta completa, pero espero que útil progreso: la reescritura de $$I_n=\sum_{k=1}^{n+1}\frac{H_{k}H_{n+2-k}}{k+1},$$ reconocemos que $$ \sum_{n=0}^\infty I_n x^{n+2} = \bigg( \sum_{k=1}^\infty \frac{H_k}{k+1} x^k \bigg) \bigg( \sum_{k=1}^\infty H_k x^k \bigg). $$ Desde $\sum_{j=1}^\infty \frac1j x^j = -\log(1-x)$ y $H_k = \sum_{j=1}^k \frac1j$, vemos que $$ \sum_{k=1}^\infty H_k x^k = \frac{-\log(1-x)}{1-x}. $$ La integración de (y forzando el término constante a es igual a $0$) a continuación se da $$ \sum_{k=1}^\infty \frac{H_k}{k+1} x^{k+1} = \frac{\log^2(1-x)}2. $$ Por lo tanto $$ \sum_{n=0}^\infty I_n x^n = \frac1{x^2} \bigg( \frac1x\frac{\log^2(1-x)}2 \bigg) \bigg( \frac{-\log(1-x)}{1-x} \bigg) = \frac{-\log^3(1-x)}{2x^3(1-x)}. $$

Podemos utilizar la generación de esta función para obtener información acerca de $\{I_n\}$. Por ejemplo, si definimos $\{c_n\}$ por $$ -\log^3(1-x) = \sum_{n=1}^\infty c_n x^n, $$ entonces llegamos a la conclusión de que $$ I_n = \frac12 \sum_{k=1}^{n+3} c_k. $$ Tenga en cuenta que $$ c_n = \sum_{i+j+k=n} \frac1{ijk}, $$ así que $$ I_n = \frac12 \sum_{i+j+k\le n+3} \frac1{ijk}. $$

8voto

Roger Hoover Puntos 56

Tal vez le tengo cogido el truco definitivo. Recuerdo mi anterior $(5)$: $$I_n=\frac{3}{2}\sum_{t=3}^{n+3}\frac{H_{t-1}^2-H_{t-1}^{(2)}}{t}.\la etiqueta{5}$$ Parcial suma da I $H_{0}^{(j)}=0$ para la consistencia): $$\sum_{n=1}^{m}\frac{H_{n-1}^{(2)}}{n}=H_m H_{m-1}^{(2)}-\sum_{n=1}^{m-1}\frac{H_n}{n^2}=H_m H_m^{(2)}-\sum_{n=1}^m\frac{H_n}{n^2}=H_m H_m^{(2)}-H_{m}^{(3)}-\sum_{n=1}^{m}\frac{H_{n-1}}{n^2}.\la etiqueta{7}$$ Esto conduce a: $$I_n=\frac{3}{2}\sum_{t=1}^{n+3}\left(\frac{H_{t-1}^2}{t}+\frac{H_{t-1}}{t^2}\right)+\frac{3}{2}H_{n+3}^{(3)}-\frac{3}{2}H_{n+3}H_{n+3}^{(2)}.\tag{8}$$ Ahora tenemos (desde $a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)$): $$H_{j+1}^3-H_{j}^3 = \frac{H_{j+1}^2+H_{j+1} H_j +H_{j}^2}{j+1}=3\frac{H_j^2}{j+1}+3\frac{H_j}{(j+1)^2}+\frac{1}{(j+1)^3}.\la etiqueta{9}$$ Sumando ambos lados de $(9)$ con $j$ que va desde $0$ a de $n+de$ 2, tenemos: $$H_{n+3}^3-H_{n+3}^{(3)}=3\sum_{t=1}^{n+3}\left(\frac{H_{t-1}^2}{t}+\frac{H_{t-1}}{t^2}\right).\tag{10}$$ (Una alternativa a prueba de $(10)$, siempre basados en la suma parcial, a continuación se da por Matt Groff)

Si ahora nos basta con enchufar $(10)$ en $(8)$ terminamos con: $$I_n = \frac{1}{2}H_{n+3}^3+H_{n+3}^{(3)}-\frac{3}{2}H_{n+3}H_{n+3}^{(2)},\la etiqueta{11}$$ que manera mejor que mis anteriores $(6)$ y perfectamente responde a la pregunta.

Vale la pena mencionar que, debido a Greg Martin de la prueba, esto le da un cerrado expresión para la suma $$\sum_{i+j+k\leq n}\frac{1}{ijk}$$ y para los coeficientes de la serie de Taylor de $\log^4(1-x)$ en torno a cero.

Muchas muchas gracias a Greg Martin y Matt Groff para esta brillante pieza de la cooperativa de matemáticas - si le pedimos a dividir la recompensa en tres?

2voto

Tim Cochran Puntos 804

Continuando con el uso de ambos Greg Martin y Jack D'Aurizio las respuestas, voy a empezar con:

$$ \begin{align} \sum_{k=1}^{m+1}\frac{(H_{k-1})^2}{k} &= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \frac{(H_k+H_{k-1} )H_k}{k} } \\ Y= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \frac{ \left( (H_{k-1}+\frac{1}{k}) + H_{k-1} \right)(H_{k-1}+\frac{1}{k})}{k} } \\ Y= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \frac{ \left( 2H_{k-1}+\frac{1}{k}\right)(H_{k-1}+\frac{1}{k})}{k} } \\ Y= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \frac{ 2(H_{k-1})^2+\frac{3}{k}H_{k-1}+\frac{1}{k^2}}{k} } \\ 3\sum_{k=1}^{m+1}\frac{(H_{k-1})^2}{k} &= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \frac{ \frac{3}{k}H_{k-1}+\frac{1}{k^2}}{k} } \\ Y= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \left( \frac{3}{k^2}H_{k-1}+\frac{1}{k^3} \right) } \\ Y= (H_m)^2 H_{m+1} - \sum_{k=1}^m{ \left( \frac{3}{k^2}H_{k-1} \right) } + H_m^{(3)} \end{align} $$

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