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Evaluación de

Aquí es una serie que surgió mientras jugueteaban con algunas ecuaciones diferenciales.

$$\mathcal{S}=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n \tanh n}$$

Tengo la sensación de que tiene una forma cerrada. Aunque no soy capaz de atacar. Por ejemplo, una idea que podría ser prometedor sería usar el kernel $\pi \csc \pi z$ e integrar la función

$$f(z)=\frac{\pi \csc \pi z}{z \tanh z}$$

más de una plaza, aunque estoy seguro acerca de los vértices. En la media hora Wolfram Alpha es incapaz de dar una forma. En vez de ello devuelve $0.98903$ como un resultado aproximado.

Así, alguien me puede ayudar se derivan de la forma cerrada (si es que finalmente existe?)

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Paramanand Singh Puntos 13338

Como se señaló en los comentarios de la suma $$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}}{n\tanh n}$$ has no closed form except in the form of Jacobi's theta functions. I provide here an approach which evaluates the function $$F(x) = \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}}{n\tanh n x}$$ in terms of theta functions and then using this expression in theta functions we can get a value of $F(\pi)$ in closed form. Your questions asks for a closed form of $F(1)$, que no parece posible.


Deje $q = e^{-x}$, entonces tenemos \begin{align} F(x) &= \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}}{n}\cdot\frac{e^{nx} + e^{-nx}}{e^{nx} - e^{-nx}}\notag\\ &= \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}}{n}\cdot\frac{1 + q^{2n}}{1 - q^{2n}}\notag\\ &= \sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}}{n}\cdot\left(1 + 2\frac{q^{2n}}{1 - q^{2n}}\right)\notag\\ &= \log 2 + 2\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n - 1}q^{2n}}{n(1 - q^{2n})}\notag\\ &= \log 2 + 2\sum_{n\text{ odd}}\frac{q^{2n}}{n(1 - q^{2n})} - 2\sum_{n\text{ even}}\frac{q^{2n}}{n(1 - q^{2n})}\notag\\ &= \log 2 + 2\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{q^{2n}}{n(1 - q^{2n})} - 2\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{q^{4n}}{n(1 - q^{4n})}\notag\\ &= \log 2 + 2a(q^{2}) - 2a(q^{4})\notag\\ \end{align} donde $a(q^{2}), a(q^{4})$ se dan en términos de las integrales elípticas $K, K'$ y el módulo de $k$ por las ecuaciones: $$a(q^{2}) = -\frac{\log(kk')}{6} - \frac{\log 2}{6} - \frac{1}{2}\log\left(\frac{K}{\pi}\right) - \frac{\pi K'}{12K}\tag{1}$$ and $$a(q^{4}) = -\frac{1}{12}\log(k^{4}k') + \frac{\log 2}{6} - \frac{1}{2}\log\left(\frac{K}{\pi}\right) - \frac{\pi K'}{6K}\tag{2}$$ and hence $$F(x) = \log 2 + 2\left(\frac{\log k}{6} - \frac{\log k'}{12} - \frac{\log 2}{3} + \frac{\pi K'}{12K}\right)$$ or $$F(x) = \frac{\log 2}{3} + \frac{\log k}{3} - \frac{\log k'}{6} + \frac{\pi K'}{6K}\tag{3}$$ and noting that $$k = \frac{\vartheta_{2}^{2}(e^{-x})}{\vartheta_{3}^{2}(e^{-x})}, k' = \frac{\vartheta_{4}^{2}(e^{-x})}{\vartheta_{3}^{2}(e^{-x})}$$ and $x = \pi K'/K$ we get $$F(x) = \frac{\log 2}{3} + \frac{x}{6} + \frac{1}{3}\log\frac{\vartheta_{2}^{2}(e^{-x})}{\vartheta_{3}(e^{-x})\vartheta_{4}(e^{-x})} = \frac{x}{6} - \frac{1}{3}\log\left(\frac{\vartheta_{3}(e^{-x})\vartheta_{4}(e^{-x})}{2\vartheta_{2}^{2}(e^{-x})}\right)\tag{4}$$ which is same as nospoon's formula in comments with $x$ in place of $\pi x$. If $x = \pi$ in my notation then $k = k' = 1/\sqrt{2}$ and then we obtain the sum $$\sum_{n = 1}^{\infty} \frac{(-1)^{n - 1}}{n \tanh n\pi} = \frac{\pi}{6} + \frac{\log 2}{4}\tag{5}$$


Nota, además, que a partir de la teoría de congruencias de ello se sigue que si $K'/K = x/\pi = \sqrt{r}$ donde $r$ es un número racional positivo, a continuación, los valores de $k, k'$ son números algebraicos y por lo tanto hay una forma cerrada para $F(x) = F(\pi\sqrt{r})$ para todos los números racionales positivos $r$. La evaluación de la forma cerrada que consta de los números reales se vuelve cada vez más difícil (al menos para la mano de cálculo) como el numerador y el denominador de $r$ de incremento en el valor.

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