关于不使用微分法求解含余弦的交错二重级数精确值的技术问询
我之前发现了一个很有意思的交错二重级数:
$$\sum_{m=1}{\infty}\sum_{n=1}{\infty} \frac{(-1){m+n}}{(m+n)2} = \frac{\pi^2}{12}-\ln 2 ,$$
之后开始研究一个更复杂的版本:
$$\displaystyle \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{m+n} \cos (m+n)}{(m+n)^2} .$$
我首先想到用复变函数的思路来处理,注意到这个含余弦的级数可以表示为复函数 (f(1)) 的实部:
$$\displaystyle \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{m+n} \cos (m+n)}{(m+n)^2}=\Re f(1)\tag*{} $$
其中
$$\displaystyle f(x)=\sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{m+n} e^{(m+n) x i}}{(m+n)^2}\tag*{} $$
接下来我通过对 (f(x)) 求导的方式简化计算:
对 (f(x)) 求一阶和二阶导数:
$$\displaystyle f{\prime}(x)=\sum_{m=1}{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{m+n} i e^{(m+n) x i}}{m+n}\tag*{} $$
$$ \displaystyle \begin{aligned}f^{\prime \prime}(x) =\sum_{m=1}{\infty}(-1)m\left[\sum_{n=1}{\infty}(-1){n-1} e^{(m+n) x i}\right] =\sum_{m=1}^{\infty} \frac{(-1)^m e^{(m+1) x i}}{1+e^{x i}}=-\frac{e^{2 xi }}{\left(1+e{xi}\right)2}\end{aligned}\tag*{} $$
然后通过积分二阶导数还原一阶导数:
$$f{\prime}(x)-f{\prime}(0)=\int_0^x f^{\prime \prime}(t) d t =-\int_0^x \frac{e^{2 i t}}{\left(1+e^{i t}\right)^2} d t =i \ln \left(1+e^{i x}\right)+\frac{1}{2} \tan \frac{x}{2}-i \ln 2$$
整理后得到:
$ \displaystyle f^{\prime}(x)=i f(0)+i \ln \left(1+e^{i x}\right)+\frac{1}{2} \tan \frac{x}{2}-i \ln 2\tag*{} $
再次积分得到 (f(1)) 与 (f(0)) 的关系:
$$\begin{aligned} f(1)-f(0)&= \int_0^1\left[i f(0)+i \ln \left(1+e^{i t}\right)+\frac{1}{2} \tan \frac{t}{2}-i \ln 2\right] d t \end{aligned}$$
$$= i f(0)+i \int_0^1 \ln \left(1+e^{i t}\right) d t+\frac{1}{2} \int_0^1 \tan \frac{t}{2} d t-i \ln 2 $$
$$= i f(0)+i\left[-i \operatorname{Li_2}\left(-e^{-i x}\right)\right]_0^1+\ln \left(\sec \frac{1}{2}\right)-i \ln 2$$
整理后:
$\displaystyle \begin{aligned}f(1)&=f(0)+i f(0)-\operatorname{Li_2}\left(-e{-i}\right)-\frac{\pi2}{12}+\ln \left(\sec \frac 12\right) -i \ln 2\end{aligned}\tag*{} $
取实部后就得到了原级数的结果:
$\displaystyle \boxed{\sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{m+n} \cos (m+n)}{(m+n)^2}=\Re f(1)=-\ln 2-\Re\left(\operatorname{Li}_2\left(-e^{-i}\right)\right)+\ln \left(\sec \frac{1}{2}\right) \approx{0.0099041}} \tag*{} $
现在我想请教大家:有没有办法不通过微分法,直接求出这个含余弦的交错二重级数的精确值?
非常欢迎大家给出评论和其他替代解法。
补充:(f(0)) 的推导过程
$$f(0) =\sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1){m+n}}{(m+n)2} =\sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}{\infty}(-1){m+n-1} \int_0^1 x^{m+n-1} \ln x d x \ =\int_01\left[\sum_{m=1}{\infty} \sum_{n=1}{\infty}(-1){m+n-1} x^{m+n-1}\right] \ln x d x \ =\int_0^1 \ln x \sum_{m=1}^{\infty} \frac{(-1)^m x^m}{1+x} d x=\int_0^1 \ln x \frac{-x}{(1+x)^2} d x \ =-\int_0^1 \frac{x^2 \ln x}{(1+x)^2} d x=\frac{\pi^2}{12}-\ln 2 $$
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Lai

