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Es allí una manera de simplificar una suma de cosecants?

Un problema que he estado trabajando recientemente los resultados en una suma de la cosecante términos. Específicamente,

$f(n) = \sum_{k=1}^n \csc \frac{\pi k}{2n+1}$

$g(n) = \sum_{k=1}^n [(-1)^{k+1}(\csc \frac{\pi k}{2n+1})]$

El problema en ocasiones implica valores grandes de n, lo que puede hacer la evaluación de las sumas engorroso. No veo una manera de simplificar las sumas fácilmente a algo más fácil de calcular de forma rápida. Así que mi pregunta es, ¿hay una manera de simplificar estas sumas para hacerlos más fáciles de calcular?

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user21783 Puntos 11

Voy a complementar Claude respuesta con otras expansiones asintóticas.

Más términos para la expansión de la $\displaystyle f(n) := \sum_{k=1}^n \csc \frac{\pi k}{2n+1}$ puede ser obtenido usando : $$\tag{1}\csc \left(\pi x\right)=\frac{1}{\pi x}+\frac{2 x}{\pi}\sum_{j=1}^\infty\frac{(-1)^j}{x^2-j^2}$$ que es para $\,\displaystyle x:=\frac{k}{2 n+1}$ : $$\tag{2}\csc \left(\frac{\pi k}{2 n+1}\right)=\frac{2 n+1}{\pi k}+\frac{2 k}{\pi(2n+1)}\sum_{j=1}^\infty\frac{(-1)^j}{\left(\frac k{2n+1}\right)^2-j^2}$$ Una suma sobre el $n$ primeros valores de $k$ ofrecer para $\;\displaystyle H_n:=\sum_{k=1}^n \frac 1k$ : $$\tag{3}\sum_{k=1}^n\csc \left(\frac{\pi k}{2 n+1}\right)=\frac{2 n+1}{\pi }H_n+S(n)$$ con $S(n)$ no tan fácil suma doble...

Afortunadamente $S(n)$ parece admitir una bastante simple expansión : $$\tag{4}S(n)\sim \frac{\ln(4/\pi)}{\pi}(2n+1)$$ mientras que una buena aproximación de $H_n$ es $\;H_n\sim\gamma+\ln\left(n+\frac 12\right)\,$ ($\gamma$ es la constante de Euler $0.5772156649\cdots$) por lo que el $(3)$ se convierte en : $$\tag{5}\sum_{k=1}^n\csc \left(\frac{\pi k}{2 n+1}\right)\sim\frac{2 n+1}{\pi}\left(\gamma+\ln(4/\pi)+\ln\left(n+\frac 12\right)\right)$$ (con un término de error en $O\left(\frac 1n\right)$ )

que es para $\,\displaystyle a_n:=\frac {2n+1}{\pi}\,$ muy simple : $$\tag{6}\sum_{k=1}^n\csc \frac k{a_n}\sim\left(\gamma+\ln(2\,a_n)\right){a_n}$$

Una mejor aproximación se obtiene con $$\tag{7}\sum_{k=1}^n\csc\frac k{a_n}=\left(\gamma+\ln(2\,a_n)\right){a_n}-\frac 1{72\,(a_n)}+\frac 7{43200\,(a_n)^3}-\frac{31}{3810240\,(a_n)^5}+\frac {127}{145152000\,(a_n)^7}-\frac{511}{3161410560\,(a_n)^9}+O\left(\frac 1{(a_n)^{11}}\right)$$

así que voy a conjeturar el simple y limpio asintótica de expansión : $$\tag{8} \boxed{\displaystyle\sum_{k=1}^n\csc\frac k{a_n}=\left(\gamma+\ln(2\,a_n)\right){a_n}+\sum_{k\ge 1}(-1)^k(\operatorname{B}_{2k})^2\,\frac{2^{2k-1}-1}{k\,(2k)!\;(a_n)^{2k-1}}}$$

La originalidad aquí es que tenemos una generación de la función de los cuadrados de los números de Bernoulli $\operatorname{B}_k$ !
(para los resultados exactos de uso entre el $10$ $20$ términos de la suma)


En la segunda suma $\;\displaystyle g(n) := \sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}\csc \frac{\pi k}{2n+1}\;$ la armónica suma será reemplazado por el suplente suma $\;\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac {(-1)^{k+1}}k\,$ con el límite de $\,\ln(2)$$n\to \infty$.

De nuevo por $\,\displaystyle a_n:=\frac {2n+1}{\pi}\,$ I obtener la aproximación :

$$\tag{9}\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}\csc\frac k{a_n}=\ln(2)\,a_n-\frac 12+\frac 1{24\,(a_n)}+\frac 1{16\,(a_n)^2}-\frac 7{2880\,(a_n)^3}-\\\frac{25}{768\,(a_n)^4}+\frac{31}{60480\,(a_n)^5}+\frac{3721}{92160\,(a_n)^6}-\frac{2159}{9676800\,(a_n)^7}-\frac{383645}{4128768\,(a_n)^8}+\frac{2263}{13685760\,(a_n)^9}+\frac{2552371441}{7431782400\,(a_n)^{10}}+O\left(\frac 1{(a_n)^{11}}\right)$$ La asintótica de expansión debe ser entonces (con $\operatorname{E}_k$ los números de Euler) : $$\tag{10} {\displaystyle\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}\csc\frac k{a_n}=\ln(2)\,a_n -\sum_{k\ge 0}(-1)^k(\operatorname{E}_{2k})^2\frac{2^{2k+1}}{(2k)!\;(a_n)^{2k}} \\-\sum_{k\ge 1}(-1)^k(\operatorname{B}_{2k})^2\,\frac{(2^{2k-1}-1)(2^{2k}-1)}{k\,(2k)!\;(a_n)^{2k-1}}}$$

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Claude Leibovici Puntos 54392

No creo que la suma podría ser simplificado.

Suponiendo que $n$ es un número grande, podemos construir la serie $$\csc \left(\frac{\pi k}{2 n+1}\right)=\frac{2 n}{\pi k}+\frac{1}{\pi k}+\frac{\pi k}{12 n}-\frac{\pi k}{24 n^2}+\frac{\frac{7 \pi ^3 k^3}{2880}+\frac{\pi k}{48}}{n^3}+O\left(\left(\frac{1}{n}\right)^4\right)$$ and sum over $k$. As a result, after many simplifications, $$f(n) = \sum_{k=1}^n \csc \left(\frac{\pi k}{2 n+1}\right)\approx\frac{\pi (n+1)\Big(\left(480+7 \pi ^2\right) n^2+\left(7 \pi ^2-240\right) n+120 \Big)}{11520 n^2}+\frac{(2 n+1) H_n}{\pi }+\cdots$$ For illustration purposes, using $n=100$, the approximation leads to a value $\aprox 346.967$ while the exact summation would lead to $\aprox 347.345$; with $n=1000$, the approximation leads to a value $\aprox 4917.62$ while the exact summation would lead to $\aprox 4921.64$; with $n=10000$, the approximation leads to a value $\aprox 63810.5$ while the exact summation would lead to $\aprox 63850.9$.

Seguro, usted podría continuar con el uso de aproximaciones para la armónica de los números.

La adición de los términos adicionales a las expansiones de cables para asegurarse de mejores resultados, pero digamma funciones comienzan a aparecer. Empujando la expansión de la a a $O\left(\left(\frac{1}{n}\right)^6\right)$, para los mismos ejemplos como el anterior, obtenemos $347.275$, $4920.87$ y $63843.1$.

Seguro, usted podría continuar con el uso de aproximaciones para la armónica de los números, tales como $$H_n=\gamma +\log (n)+\frac{1}{2 n}-\frac{1}{12 n^2}+O\left(\left(\frac{1}{n}\right)^4\right)$$ Para los casos mencionados anteriormente, el resultado sería el mismo para seis cifras significativas.

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