Ters kare merkezi binom katsayısına sahip serilerin toplamı
Cornel Valean'dan güzel bir meydan okuma :
Olduğunu göstermektedir
$$2\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^3 \binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}=\frac{\pi^3}{3}.$$
Merkezi binom katsayısının karesi içeren serilerde tecrübeli olmadığımı söylemeliyim, bu yüzden bu serilerde uzman olan kişilere bırakıyorum.
Tüm yaklaşımlar takdir edilmektedir. Teşekkür ederim.
Yanıtlar
Bu olası bir yaklaşımdır. OP toplamı şu şekilde yeniden yazılabilir:
$$I=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2n\cdot 2^{4 n}}{\displaystyle n^4\binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{n^2\, 2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}\\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}[(2n-1)(2n+1)+n^2H_n^{(2)}]}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4n^2-1+n^2H_n^{(2)})}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4-1/n^2+H_n^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}(4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} \, (n!)^4\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2(2 n+1)(2n!)^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{ (2n!!)^4\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2(2 n+1)(2n!)^2} \\ = \sum _{n=1}^{\infty }\frac{ (2n!!)^2\, (4+H_{n-1}^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} \\ = 4 \,\, \underbrace{ \sum _{n=1}^{\infty } \frac{ (2n!!)^2}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} }_\text{J} \\ +\underbrace{\sum _{n=1}^{\infty } \sum_{k=1}^{n-1} \frac{ (2n!!)^2}{\displaystyle n^2 (2 n+1)(2n-1!!)^2} \frac{1}{k^2}}_\text{K} \\ $$
Böylece sahibiz $I=4J+K$. Öncelikle şu şartlara bakalım$J$özet. Verilen için$n$, karşılık gelen zirve $j_n$ tarafından verilir
$$j_n=\frac{1}{n^2} \prod_{k=1}^n \frac{4 k^2}{(2 k- 1) (2 k + 1)} \\=\frac{1}{n^2}\left(\frac 21\cdot \frac 23 \right)\cdot \left(\frac 43\cdot \frac 45 \right)... \cdot \left(\frac{2n}{2n-1}\cdot \frac {2n}{2n+1}\right)$$
sonsuz ürün klasik andıran nerede Wallis formülü için$\pi/2$. Terimlerin yinelenmeyi sağladığını unutmayın
$$j_{n+1}=j_n \frac{n^2(2n+2)^2}{(n+1)^2(2n+1)(2n+3)}\\ = j_n \frac{4n^2}{(2n+1)(2n+3)} $$
ve şeklinde yazılabileceklerini
$$j_n=\frac{\pi \,Γ^2(n + 1)}{2 n^2\, Γ(n + \frac 12) Γ(n + \frac 32)}$$
Dahası, içindeki terimler $J$ toplamı ilginç özelliği karşılar
$$\sum_{n=1}^m j_n=4m^2 j_m-4$$
Bunu tümevarımla kanıtlayacağız. İçin$m=1$, toplam tek bir terime indirilir $j_1=4/3$ve buna göre $4 \cdot 1^2\cdot 4/3-4=4/3$. Şimdi, özelliğin verilen bir veri için geçerli olduğunu varsayalım.$m$. Geçiş$m+1$, toplam olur
$$\sum_{n=1}^{m+1} j_n=4m^2 j_m-4 +j_{m+1}\\ =4m^2 \frac{(2m+1)(2m+3)} {m^2}j_{m+1}-4+j_{m+1} \\ = (4n^2+8n+3) j_{m+1}-4+j_{m+1}\\ = (4n^2+8n+4) j_{m+1}-4 \\ = 4(m+1)^2 j_{m+1}-4 $$
böylece mülk hala geçerli $m+1$ve iddia kanıtlandı. O zaman bizde
$$\sum_{n=1}^m j_n= \frac{2\pi \,\Gamma^2(n + 1)}{ \Gamma(n + \frac 12 ) \Gamma(n + \frac 32 )}-4 $$
İçin limit almak $m\rightarrow \infty$, dan beri
$$\lim_{m\rightarrow \infty} \frac{\Gamma^2(m + 1)}{ \Gamma(m + \frac 12 ) \Gamma(m + \frac 32 )}=1$$
sahibiz
$$J= \sum_{n=1}^\infty j_n = 2\pi-4$$
sayısal yaklaşımına göre $J \approx 2.283$WA tarafından burada verilmektedir .
Çifte toplam için $K$, daha önce yapıldığı gibi Gama işlevleri açısından tekrar yazmak $J$aynı tanımı kullanarak $j_n$ yukarıda verilen ve sahip olduğumuz endeksleri değiştirerek
$$K=\sum _{k=1}^{\infty } \sum_{n=k+1}^{\infty} j_n \cdot \frac{1}{k^2}\\ =\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} j_n - \sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \sum_{n=1}^{k} j_n \\ = \frac{\pi^2}{6} (2\pi-4) -\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \left[ \frac{2\pi \,\Gamma^2(k + 1)}{ \Gamma(k + \frac 12 ) \Gamma(k + \frac 32 )}-4\right] \\ = \frac{\pi^3}{3} - \frac{2\pi^2}{3}+ 4\sum _{k=1}^{\infty } \frac{1}{k^2} \\ -\sum _{k=1}^{\infty } \left[ \frac{2\pi \,\Gamma^2(k + 1)}{ k^2\Gamma(k + \frac 12 ) \Gamma(k + \frac 32 )}\right] $$
ve son toplama eşdeğer olduğundan $4\sum_{n=1}^\infty j_n$,
$$K=\frac{\pi^3}{3} -4(2\pi-4)$$
Sonra şu sonuca varıyoruz:
$$I=4J+K \\=4(2\pi-4) + \frac{\pi^3}{3} -4(2\pi-4) = \frac{\pi^3}{3}$$
Mükemmel bir cevap zaten verilmişti (seçilen cevap), ancak daha fazla yolun olması güzel.
Cornel Ioan Valean'dan bir çözüm
Üç seriyi de ayrı ayrı hesaplamak yerine, hepsini birden hesaplamaya çalışabiliriz. Yani bizde var$$2\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^3 \binom{2 n}{n}^2}-\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n}}{\displaystyle n^4 \binom{2 n}{n}^2}+\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4 n} H_n^{(2)}}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n} (4n^2-1+n^2 H_n^{(2)})}{\displaystyle n^4 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n} (4-1/n^2+ H_n^{(2)})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n}(4-1/n^2+ H_n^{(2)}\color{blue}{+(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}}-\color{blue}{(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty }\frac{2^{4n}(\color{red}{4n^2H_n^{(2)}}-\color{blue}{(4 n^2-1) H_{n-1}^{(2)}})}{\displaystyle n^2 (2 n+1) \binom{2 n}{n}^2}$$ $$=\sum _{n=1}^{\infty}\left(\frac{2^{4n+2}H_n^{(2)}}{\displaystyle (2n+1) \binom{2 n}{n}^2}-\frac{2^{4n}(2n-1)H_{n-1}^{(2)} }{\displaystyle n^2\binom{2 n}{n}^2}\right)$$ $$=\lim_{N\to\infty}\sum _{n=1}^{N}\left(\frac{2^{4n+3}H_n^{(2)}}{\displaystyle (n+1) \binom{2 n+2}{n+1}\binom{2 n}{n}}-\frac{2^{4n-1}H_{n-1}^{(2)} }{\displaystyle n\binom{2 n}{n}\binom{2 n-2}{n-1}}\right)$$ $$=\lim_{N\to\infty}\frac{2^{4N+3}H_N^{(2)}}{\displaystyle (N+1) \binom{2 N+2}{N+1}\binom{2 N}{N}}=\frac{\pi^3}{3},$$
merkezi binom katsayısının asimptotik formunu kullandığımız yerde, $\displaystyle \binom{2 N}{N}\sim \frac{4^N}{\sqrt{\pi N}}$.