Una suma de series con el coeficiente binomial central inverso al cuadrado

Question

Un bonito desafío de Cornel Valean:

Muestra esa

$$2\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^3 \binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}=\frac{\pi^3}{3}.$$

Debo decir que no tengo experiencia en series que involucren coeficiente binomial central cuadrado, así que lo dejo para personas que son expertas en dichas series.

Se agradecen todos los enfoques. Gracias.

Answer 1

Este es un enfoque posible. La suma del OP se puede reescribir como

$$I=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2n\cdot 2^{4 n}}{\displaystyle n^4\binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{n^2\, 2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}\\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}[(2n-1)(2n+1)+n^2H_n^{(2)}]}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4n^2-1+n^2H_n^{(2)})}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4-1/n^2+H_n^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} \, (n!)^4\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2(2 n+1)(2n!)^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{ (2n!!)^4\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2(2 n+1)(2n!)^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{ (2n!!)^2\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} \\ = 4 \,\, \underbrace{ \sum _{n=1}^{\infty } \frac{ (2n!!)^2}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} }_\text{J} \\ +\underbrace{\sum _{n=1}^{\infty } \sum_{k=1}^{n-1} \frac{ (2n!!)^2}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} \frac{1}{k^2}}_\text{K} \\ $$

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Entonces tenemos $I=4J+K$. Consideremos en primer lugar los términos del $J$suma. Por dado$n$, el sumando correspondiente $j_n$ es dado por

$$j_n=\frac{1}{n^2} \prod_{k=1}^n \frac{4 k^2}{(2 k- 1) (2 k + 1)} \\=\frac{1}{n^2}\left(\frac 21\cdot \frac 23 \right)\cdot \left(\frac 43\cdot \frac 45 \right)... \cdot \left(\frac{2n}{2n-1}\cdot \frac {2n}{2n+1}\right)$$

donde el producto infinito se asemeja a la fórmula clásica de Wallis para$\pi/2$. Tenga en cuenta que los términos satisfacen la recurrencia

$$j_{n+1}=j_n \frac{n^2(2n+2)^2}{(n+1)^2(2n+1)(2n+3)}\\ = j_n \frac{4n^2}{(2n+1)(2n+3)} $$

y que se pueden escribir en la forma

$$j_n=\frac{\pi \,Γ^2(n + 1)}{2 n^2\, Γ(n + \frac 12) Γ(n + \frac 32)}$$

Además, los términos del $J$ la suma satisface la propiedad interesante

$$\sum_{n=1}^m j_n=4m^2 j_m-4$$

Lo probaremos por inducción. por$m=1$, la suma se reduce al término único $j_1=4/3$, y, en consecuencia $4 \cdot 1^2\cdot 4/3-4=4/3$. Supongamos ahora que la propiedad es válida para un determinado$m$. Pasando a$m+1$, la suma se convierte en

$$\sum_{n=1}^{m+1} j_n=4m^2 j_m-4 +j_{m+1}\\ =4m^2 \frac{(2m+1)(2m+3)} {m^2}j_{m+1}-4+j_{m+1} \\ = (4n^2+8n+3) j_{m+1}-4+j_{m+1}\\ = (4n^2+8n+4) j_{m+1}-4 \\ = 4(m+1)^2 j_{m+1}-4 $$

para que la propiedad siga siendo válida para $m+1$, y se prueba la afirmación. Entonces tenemos

$$\sum_{n=1}^m j_n= \frac{2\pi \,\Gamma^2(n + 1)}{ \Gamma(n + \frac 12 ) \Gamma(n + \frac 32 )}-4 $$

Tomando el límite para $m\rightarrow \infty$, ya que

$$\lim_{m\rightarrow \infty} \frac{\Gamma^2(m + 1)}{ \Gamma(m + \frac 12 ) \Gamma(m + \frac 32 )}=1$$

tenemos

$$J= \sum_{n=1}^\infty j_n = 2\pi-4$$

de acuerdo con la aproximación numérica de $J \approx 2.283$dado por WA aquí .

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Por la doble suma $K$, escribiéndolo de nuevo en términos de funciones Gamma como ya se hizo para $J$, usando la misma definición de $j_n$ dado anteriormente, y cambiando los índices tenemos

$$K=\sum _{k=1}^{\infty } \sum_{n=k+1}^{\infty} j_n \cdot \frac{1}{k^2}\\ =\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} j_n - \sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \sum_{n=1}^{k} j_n \\ = \frac{\pi^2}{6} (2\pi-4) -\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \left[ \frac{2\pi \,\Gamma^2(k + 1)}{ \Gamma(k + \frac 12 ) \Gamma(k + \frac 32 )}-4\right] \\ = \frac{\pi^3}{3} - \frac{2\pi^2}{3}+ 4\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \\ -\sum _{k=1}^{\infty } \left[ \frac{2\pi \,\Gamma^2(k + 1)}{ k^2\Gamma(k + \frac 12 ) \Gamma(k + \frac 32 )}\right] $$

y dado que la última suma es equivalente a $4\sum_{n=1}^\infty j_n$,

$$K=\frac{\pi^3}{3} -4(2\pi-4)$$

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Luego concluimos que

$$I=4J+K \\=4(2\pi-4) + \frac{\pi^3}{3} -4(2\pi-4) = \frac{\pi^3}{3}$$

Answer 2

Ya se dio una respuesta excelente (la elegida), pero es bueno tener más formas en su lugar.

Una solución de Cornel Ioan Valean

En lugar de calcular las tres series por separado, podríamos intentar calcularlas todas a la vez. Entonces, tenemos eso $$2\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^3 \binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n} (4n^2-1+n^2 H_n^{(2)})}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n} (4-1/n^2+ H_n^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n}(4-1/n^2+ H_n^{(2)}\color{blue}{+(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}}-\color{blue}{(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n}(\color{red}{4n^2H_n^{(2)}}-\color{blue}{(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty}\left(\frac{2^{4n+2}H_n^{(2)}}{\displaystyle (2n+1) \binom{2 n}{n}^2}-\frac{2^{4n}(2n-1)H_{n-1}^{(2)} }{\displaystyle n^2\binom{2 n}{n}^2}\right)$$ $$=\lim_{N\to\infty}\sum _{n=1}^{N}\left(\frac{2^{4n+3}H_n^{(2)}}{\displaystyle (n+1) \binom{2 n+2}{n+1}\binom{2 n}{n}}-\frac{2^{4n-1}H_{n-1}^{(2)} }{\displaystyle n\binom{2 n}{n}\binom{2 n-2}{n-1}}\right)$$ $$=\lim_{N\to\infty}\frac{2^{4N+3}H_N^{(2)}}{\displaystyle (N+1) \binom{2 N+2}{N+1}\binom{2 N}{N}}=\frac{\pi^3}{3},$$

donde usamos la forma asintótica del coeficiente binomial central, $\displaystyle \binom{2 N}{N}\sim \frac{4^N}{\sqrt{\pi N}}$.