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Cerrada en forma de $\sum_{k=1}^{\infty}\arctan(1/k^3)$

Wolfram dice que % $ $$\sum_{k=1}^{\infty}\arctan\left(\frac{1}{k^2}\right)=\arctan\left(\frac{1-\cot\left(\frac{\pi}{\sqrt 2}\right)\tanh\left(\frac{\pi}{\sqrt 2}\right)}{1+\cot\left(\frac{\pi}{\sqrt 2}\right)\tanh\left(\frac{\pi}{\sqrt 2}\right)}\right).$

Me preguntaba acerca de una forma cerrada de $$S = \sum_{k=1}^{\infty}\arctan\left(\frac{1}{k^3}\right).$ $

Es de una aproximación numérica de $S$ $$S \approx 0.986791652613071125515794193830247643724471031136456434\dots$ $

¿Hay una forma cerrada de $S$?

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Joe Gauterin Puntos 9526

Aviso para cualquier número positivo $x$, tenemos

$$\tan^{-1}(x) = \frac{1}{2i}\log\left(\frac{1+ix}{1-ix}\right) = \Im\log(1 + ix)$$

Podemos reescribir la suma al alcance de la mano

$$\sum_{k=1}^\infty \bronceado^{-1}\frac{1}{k^3} = \Im\left[ \sum_{k=1}^\infty \log\left(1 + \frac{i}{k^3}\right) \right] $$

Para cada una de las $k$, tenemos la factorización

$$1 + \frac{i}{k^3} = 1 - \left(\frac{i}{k}\right)^3 = \prod_{j=0}^2 \left(1 - \frac{i\omega^j}{k}\right)$$ donde $\omega = e^{i2\pi/3}$ es una primitiva raíz cúbica de la unidad.

Recordar el infinito producto de la expansión de la función gamma

$$\frac{1}{\Gamma(z)} = z e^{\gamma z}\prod_{k=1}^\infty \left(1 + \frac{z}{k}\right) e^{-\frac{z}{k}} \quad\implica\quad \prod_{k=1}^\infty \left(1+\frac{z}{k}\right)e^{-\frac{z}{k}} = \frac{e^{-\gamma z}}{\Gamma(1+z)} $$

Si reemplazamos $z$ $-i \omega^j$ $j = 0,1,2$ y de tomar el producto, obtenemos

$$\begin{align} \prod_{k=1}^\infty\left(1 + \frac{i}{k^3}\right) &= \prod_{k=1}^\infty\prod_{j=0}^2\left[\left(1 - \frac{i\omega^j}{k}\right)e^{i\omega^j/k} \right] = \prod_{j=0}^2\prod_{k=1}^\infty\left[\left(1 - \frac{i\omega^j}{k}\right)e^{i\omega^j/k} \right]\\ & = \frac{e^{-\gamma( -i\sum\limits_{j=0}^2 \omega^j )}}{\prod\limits_{j=0}^2\Gamma(1 - i\omega^j)} = \frac{1}{ \Gamma(1-i) \Gamma\left(1 + \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right) \Gamma\left(1 - \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right)} \\ \end{align} $$ Tomando el logaritmo de ambos lados, vamos a conseguir algo cercano a lo que queremos.

La captura es de la $\log$ función no es holomorphic sobre todo el plano complejo. En general, la suma de los logaritmos es igual a la de registro del producto sólo hasta para algunos múltiplos de $2\pi$. es decir,

$$ \sum_{k=1}^\infty \log\left( 1 + \frac{i}{k^3}\right) = \log\left[ \prod_{k=1}^\infty \left( 1 + \frac{i}{k^3}\right) \right] + 2N\pi$$

para algunos desconocida entero $N$.

En lugar de determinar lo $N$ es, vamos a resolver este problema de una manera diferente.

Utilizamos el hecho de que en la suma de las de registro, la parte imaginaria de la $k \ge 2$ términos son lo suficientemente pequeño.
Si queremos quitar el $k = 1$ término de la suma, la suma de registro será igual a la de registro de producto.
Al final, hemos

$$\begin{align} \sum_{k=1}^\infty \tan^{-1}\frac{1}{k^3} &= \frac{\pi}{4} + \sum_{k=2}^\infty \tan^{-1}\frac{1}{k^3} = \frac{\pi}{4} + \Im\left[\sum_{k=2}^\infty\log\left(1 + \frac{i}{k^3}\right)\right]\\ &= \frac{\pi}{4} + \Im\log\left[\prod_{k=2}^\infty\left(1 + \frac{i}{k^3}\right)\right]\\ &= \frac{\pi}{4} - \Im\log\left[(1+i) \Gamma(1-i) \Gamma\left(1 + \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right) \Gamma\left(1 - \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right) \right]\\ &= \frac{\pi}{4} - \Im\log\left[(-1+i) \Gamma(-i) \Gamma\left( \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right) \Gamma\left( - \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{i}{2}\right) \right]\\ \end{align}$$ Según WA, esto es, aproximadamente $$0.986791652613071125515794193830247643724471031136456434028974\ldots$$ como era de esperar.

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