Question Number 221387 by Nicholas666 last updated on 02/Jun/25

$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\underset{{k}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\mathrm{2}\underset{{n}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} \:+\:{kn}}\right)^{\mathrm{2}} \:=\:? \\ $$$$ \\ $$
Answered by MrGaster last updated on 05/Jun/25

$$\:\:\:\:\underset{{k}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\mathrm{2}\underset{{n}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} \:+\:{kn}}\right)^{\mathrm{2}} \:=\mathrm{4}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+{k}\right)}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{4}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{{H}_{{k}} }{{k}}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{4}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{H}_{{k}} ^{\mathrm{2}} }{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{4}\centerdot\frac{\mathrm{17}\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{360}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{17}\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{90}} \\ $$$$\left(\mathrm{2}\right):=\mathrm{4}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{{H}_{{k}} }{{k}}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{4}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{H}_{{k}} ^{\mathrm{2}} }{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{4}\centerdot\frac{\mathrm{17}\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{360}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{17}\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{90}} \\ $$$$\left(\mathrm{3}\right)\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}\left({n}+{k}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{k}}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}−\frac{\mathrm{1}}{{n}−{k}}\right) \\ $$$$=\frac{{H}_{{k}} }{{k}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{2}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} +{kn}}=\frac{\mathrm{2}{H}_{{k}} }{{k}} \\ $$$$\therefore\:\underset{{k}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\mathrm{2}\underset{{n}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} \:+\:{kn}}\right)^{\mathrm{2}} \:=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(\frac{\mathrm{2}{H}_{{k}} }{{k}}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{4}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{H}_{{k}} ^{\mathrm{2}} }{{k}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\mathrm{4}\centerdot\frac{\mathrm{17}}{\mathrm{4}}\zeta\left(\mathrm{4}\right) \\ $$$$=\mathrm{17}\zeta\left(\mathrm{4}\right) \\ $$$$=\mathrm{17}\centerdot\frac{\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{90}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{17}\pi^{\mathrm{4}} }{\mathrm{90}} \\ $$