Computing $\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_{n+1}}{(n+1)^2{2n\choose n}}$
Eine von Cornel Valean vorgeschlagene Vorauszahlung:
$$S=\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_{n+1}}{(n+1)^2{2n\choose n}}$$ $$=4\text{Li}_4\left(\frac12\right)-\frac12\zeta(4)+\frac72\zeta(3)-4\ln^22\zeta(2)+6\ln2\zeta(2)+\frac16\ln^42-1$$
Ich habe es geschafft, die integrale Darstellung von zu finden $\ \displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_n}{n^2{2n\choose n}}\ $ aber nicht $S$::
$$\frac{\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}}=\sum_{n=1}^\infty\frac{(2x)^{2n-1}}{n{2n\choose n}}$$
wir können schreiben
$$\frac{2\sqrt{x}\arcsin \sqrt{x}}{\sqrt{1-x}}=\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}x^{n}}{n{2n\choose n}}$$
Jetzt multiplizieren Sie beide Seiten mit $-\frac{\ln(1-x)}{x}$ dann $\int_0^1$ und benutze das $-\int_0^1 x^{n-1}\ln(1-x)dx=\frac{H_n}{n}$ wir haben
$$\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_n}{n^2{2n\choose n}}=-2\int_0^1 \frac{\arcsin \sqrt{x}\ln(1-x)}{\sqrt{x}\sqrt{1-x}}dx\tag1$$
Aber ich konnte die integrale Darstellung von nicht bekommen $S$. Irgendeine Idee?
Wenn Sie das Integral finden, bevorzuge ich Lösungen, die keine Konturintegration verwenden, oder Sie können es mir überlassen, es auszuprobieren. Danke.
Falls der Leser neugierig ist, das Integral in zu berechnen $(1)$, einstellen $x=\sin^2\theta$ Verwenden Sie dann die Fourier-Reihe von $\ln(\cos \theta)$.
Antworten
$\newcommand{\bbx}[1]{\,\bbox[15px,border:1px groove navy]{\displaystyle{#1}}\,} \newcommand{\braces}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\mc}[1]{\mathcal{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\mathrm{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} \newcommand{\root}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ \begin{align} &\bbox[5px,#ffd]{\sum_{n = 1}^{\infty}{2^{2n}H_{n + 1} \over \pars{n + 1}^{2}{2n \choose n}}} = \sum_{n = 2}^{\infty}H_{n}\,{4^{n - 1} \over n^{2}{2n - 2 \choose n - 1}} = -1 + \sum_{n = 1}^{\infty} H_{n}\,{4^{n - 1} \over n^{2}}\,{\Gamma\pars{n}\Gamma\pars{n} \over \Gamma\pars{2n - 1}} \\[5mm] = &\ -1 + \sum_{n = 1}^{\infty} H_{n}\, 4^{n - 1}\pars{{2 \over n} - {1 \over n^{2}}}\,{\Gamma\pars{n}\Gamma\pars{n} \over\Gamma\pars{2n}} \\[5mm] = &\ -1 + 2\sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\, 4^{n - 1} \pars{\int_{0}^{1}x^{n - 1}\,\dd x} \int_{0}^{1}y^{n - 1}\pars{1 - y}^{n - 1}\,\dd y \\[2mm] &\ -\sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\, 4^{n - 1} \bracks{-\int_{0}^{1}\ln\pars{x}x^{n - 1}\,\dd x} \int_{0}^{1}y^{n - 1}\pars{1 - y}^{n - 1}\,\dd y \\[5mm] = &\ -1 + 2\int_{0}^{1}\int_{0}^{1} \sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\pars{4xy \over 1 - y}^{n - 1} \,\dd x\,\dd y \\[2mm] &\ + \int_{0}^{1}\ln\pars{y}\int_{0}^{1} \sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\, \pars{4xy \over 1 - y}^{n - 1} \,\dd x\,\dd y \\[5mm] = &\ -1 + 2\int_{0}^{1}\int_{0}^{4y/\pars{1 - y}} \sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}x^{n - 1}\, {1 - y \over 4y}\,\dd x\,\dd y \\[2mm] &\ + \int_{0}^{1}\ln\pars{y}\int_{0}^{4y} \sum_{n = 1}^{\infty}H_{n}\, x^{n - 1}\,{y - 1 \over 4y} \,\dd x\,\dd y \\[5mm] = &\ -1 + {1 \over 2}\int_{0}^{1}{1 - y \over y}\int_{0}^{4y/\pars{1 - y}} \bracks{-\,{\ln\pars{1 - x} \over 1 - x}} \,{\dd x \over x}\,\dd y \\[2mm] &\ + {1 \over 4}\int_{0}^{1}{\pars{1 - y}\ln\pars{y} \over y}\int_{0}^{4y/\pars{1 - y}} \bracks{-\,{\ln\pars{1 - x} \over 1 - x}} \,{\dd x \over x}\,\dd y \\[5mm] = &\ -1 - {1 \over 2}\int_{0}^{1}{\ln\pars{1 - x} \over x\pars{1 - x}} \int_{0}^{x/\pars{x + 4}}{1 - y \over y}\,\dd y\,\dd x \\[2mm] &\ - {1 \over 4}\int_{0}^{1}{\ln\pars{1 - x} \over x\pars{1 - x}} \int_{0}^{x/\pars{x + 4}}{\pars{1 - y}\ln\pars{y} \over y} \,\dd y\,\dd x \\[5mm] = &\ -1 - {1 \over 4}\int_{0}^{1}{\ln\pars{1 - x} \over x\pars{1 - x}} \int_{0}^{x/\pars{x + 4}} {\pars{1 - y}\bracks{2 + \ln\pars{y}} \over y}\,\dd y\,\dd x \end{align} Das $\ds{y}$-Integration wird: $$ -2\ln\pars{x \over 4 + x} - {1 \over 2}\ln^{2}\pars{x \over 4 + x} - {4 \over 4 + x} - {x \over 4 + x}\ln\pars{4 + x \over x} $$ Es scheint ein böser Job zu sein !!!. Ich hoffe, jemand anderes kann es von hier aus übernehmen.
Folgende Idee von @ Felix oben:
$$S=\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_{n+1}}{(n+1)^2{2n\choose n}}=\sum_{n=2}^\infty\frac{2^{2n-2}H_n}{n^2{2n-2\choose n-1}}$$
Beachten Sie, dass
$$\frac{{2n+2\choose n+1}}{{2n\choose n}}=\frac{\frac{\Gamma(2n+3)}{\Gamma^2(n+2)}}{\frac{\Gamma(2n+1)}{\Gamma^2(n+1)}}=\frac{\frac{(2n+2)(2n+1)\Gamma(2n+1)}{((n+1)\Gamma(n+1))^2}}{\frac{\Gamma(2n+1)}{\Gamma^2(n+1)}}=\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}=\frac{2(2n+1)}{n+1}$$
ersetzen $n$ durch $n-1$ wir bekommen
$$\frac{1}{{2n-2\choose n-1}}=\frac{2(2n-1)}{n{2n\choose n}}$$
Deshalb
$$S=\sum_{n=2}^\infty\frac{2^{2n-1}(2n-1)H_n}{n^3{2n\choose n}}=\sum _{n=1}^{\infty } \frac{2^{2n} H_n}{n^2 {2n\choose n}}-\frac12 \sum _{n=1}^{\infty } \frac{2^{2n} H_n}{n^3 {2n\choose n}}-1\tag1$$
Im Fragetext haben wir
$$\sum _{n=1}^{\infty } \frac{2^{2n} H_n}{n^2 {2n\choose n}}=-2\int_0^1 \frac{\arcsin \sqrt{x}\ln(1-x)}{\sqrt{x}\sqrt{1-x}}dx\overset{\sqrt{x}=\sin\theta}{=}-8\int_0^{\pi/2} \theta \ln(\cos\theta)d\theta$$
$$=-8\int_0^{\pi/2}\theta\left(-\ln(2)-\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n\cos(2n\theta)}{n}\right)d\theta=6\ln(2)\zeta(2)+\frac72\zeta(3)\tag2$$
und hier haben wir schon gezeigt
$$\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{2n}H_n}{n^3{2n\choose n}}=-8\text{Li}_4\left(\frac12\right)+\zeta(4)+8\ln^2(2)\zeta(2)-\frac{1}{3}\ln^4(2)\tag3$$
Zum Schluss einstecken $(2)$ und $(3)$ im $(1)$ wir erhalten
$$S=4\text{Li}_4\left(\frac12\right)-\frac12\zeta(4)+\frac72\zeta(3)-4\ln^2(2)\zeta(2)+6\ln(2)\zeta(2)+\frac16\ln^4(2)-1$$