Cómo evaluar el % de la suma $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n+1)(2n+2)}\left(1+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{n}\right)$

Question

Cómo evaluar la suma: $$S=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n+1)(2n+2)}\left(1+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{n}\right)$$ Alguien me puede ayudar,realmente lo aprecio.

Answer 1

Un punto de vista diferente sobre el mismo problema: $$ \sum_{n\geq 1}\frac{x^n}{n}=-\log(1-x),\qquad \sum_{n\geq 1}H_n x^n = \frac{-\log(1-x)}{1-x} \tag{A}$$ $$ \sum_{n\geq 1}H_n x^{2n} = \frac{-\log(1-x^2)}{1-x^2}\tag{B}$$

$$\begin{eqnarray*}\sum_{n\geq 1}H_n\left(\frac{1}{2n+1}-\frac{1}{2n+2}\right) &=& \int_{0}^{1}\frac{-\log(1-x^2)}{1+x}\,dx\\&=&-\tfrac{1}{2}\log^22+\int_{0}^{1}\frac{-\log(1-x)}{1+x}\,dx\\&=&-\tfrac{1}{2}\log^22+\int_{0}^{1}\frac{-\log(x)}{2-x}\,dx\tag{C}\end{eqnarray*} $$ y por la diferenciación bajo el signo integral, la última integral es relacionado con la serie $$ \sum_{n\geq 1}\frac{1}{n^2 2^n}=\text{Li}_2\left(\tfrac{1}{2}\right)\stackrel{(*)}{=}\tfrac{\pi^2}{12}-\tfrac{\log^2 2}{2} \tag{D}$$ donde $(*)$ sigue de la dilogarithm reflexión fórmula, demostrado aquí.

Answer 2

Es evidente que $$S=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{(2n+1)(2n+2)}\left(1+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{n}\right) = \frac{\pi^2}{12} - \ln^{2}2$$ y puede ser evaluado mediante el siguiente patrón:

Considerar la serie $$S(x) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n} \, x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}$$ que en la diferenciación conduce a $S(0) = 0$, $S'(0) = 0$, \begin{align} S(x) &= \sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n} \, x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)} \\ S'(x) &= \sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n} \, x^{2n+1}}{(2n+1)} \\ S''(x) &= \sum_{n=1}^{\infty} H_{n} \, x^{2n} = - \frac{\ln(1- x^2)}{1-x^2}. \end{align} Ahora, $$ - 2 \, S''(x) = \frac{\ln(1-x)}{1-x} + \frac{\ln(1-x)}{1+x} + \frac{\ln(1+x)}{1-x} + \frac{\ln(1+x)}{1+x}$$ que, tras la integración, conduce a \begin{align} - 4 \, S'(x) &= \ln^{2}(1 + x) - \ln^{2}(1-x) + 2 \, Li_{2}\left(\frac{1-x}{2}\right) - 2 \, Li_{2}\left(\frac{1+x}{2}\right) + \ln4 \, \ln\left(\frac{1+x}{1-x}\right). \end{align} Integrando de nuevo conduce a la $S(x)$. Las integrales \begin{align} \int_{0}^{x} \ln^{2}(1-t) \, dt &= (x-1) \, (\ln^{2}(1-x) - 2 \ln(1-x) + 2) + 2 \\ \int_{0}^{x} \ln^{2}(1+t) \, dt &= (x+1) \, (\ln^{2}(1+x) - 2 \ln(1+x) + 2) - 2 \\ \int_{0}^{x} \ln\left(\frac{1+t}{1-t}\right) \, dt &= x \, \ln\left(\frac{1+x}{1-x}\right) + \ln(1-x^2) \\ \int_{0}^{x} Li_{2}\left(\frac{1+t}{2}\right) \, dt &= (1+x) \, Li_{2}\left(\frac{1+x}{2}\right) + x \, \ln\left(\frac{1-x}{2}\right) - \ln(1-x) -x - Li_{2}\left(\frac{1}{2}\right) \\ \int_{0}^{x} Li_{2}\left(\frac{1-t}{2}\right) \, dt &= (x-1) \, Li_{2}\left(\frac{1-x}{2}\right) + (x+1) \, \ln\left(\frac{1+x}{2}\right) -x - Li_{2}\left(\frac{1}{2}\right) + \ln2 \end{align} son necesarios para la evaluación. Una vez $S(x)$ es determinado conjunto de $x=1$ obtener $$S(1) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{H_{n}}{(2n+1)(2n+2)} = \frac{\pi^2}{12} - \ln^{2}2$$

Answer 3

Siguiente Leucipus respuesta, voy a utilizar diferentes enfoque para evaluar los $S(1)$. Nota \begin{eqnarray} S=S(1)&=&\int_0^1\int_0^xS''(x)dxt\\ &=&-\int_0^1\int_0^x\frac{\ln(1-x^2)}{1-x^2}dxdt\\ &=&-\int_0^1\int_x^1\frac{\ln(1-x^2)}{1-x^2}dtdx\\ &=&-\int_0^1(1-x)\frac{\ln(1-x^2)}{1-x^2}dx\\ &=&-\int_0^1\frac{\ln(1-x^2)}{1+x}dx\\ &=&-\int_0^1\frac{\ln(1-x)}{1+x}dx-\int_0^1\frac{\ln(1+x)}{1+x}dx\\ &=:&-I_1-I_2 \end{eqnarray} Ahora $$ I_2=\int_0^1\ln(1+x)d\ln(1+x)=\frac{1}{2}\ln^2(1+x)\bigg|_0^1=\frac12\ln^22. $$ Para $I_1$, en $t=1-x$, uno tiene \begin{eqnarray} \int\frac{\ln t}{2-t}dt&=&-\int_0^1\ln xd\ln(2-t)\\ &=&-\ln x\ln(2-t)+\int\frac{\ln(2-t)}{t}dt\\ &=&-\ln x\ln(2-t)+\int\frac{\ln2+\ln(1-\frac12t)}{t}dt\\ &=&-\ln x\ln(2-t)+\ln2\ln t+Li_2(\frac t2)+C \end{eqnarray} \begin{eqnarray} I_1&=&\int_0^1\frac{\ln t}{2-t}dt=-\int_0^1\ln xd\ln(2-t)\\ &=&-\ln x\ln(2-t)+\ln2\ln t+Li_2(\frac t2)\bigg|_0^1 &=&-\frac{\pi^2}{12}+\frac12\ln^22. \end{eqnarray} Así $$ S=\frac{\pi^2}{12}-\ln^22. $$