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Find lim n→∞En

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Academic year: 2021

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Problem 11115

(American Mathematical Monthly, Vol.111, November 2004) Proposed by J. Clark (USA).

LetHn be thenth harmonic number, that is, Hn =Pn k=11

k. LetEn= Hn2

n

X

k=1

1

kHmax(k,n−k). Find lim

n→∞En.

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Let Hn(2)=Pn k=1

1

k2. We will show that

En = 1 2H(2)n

2

and therefore

n→∞lim En =1 2

X

k=1

1 k22

12. Since E1=12H0(2)= 0 and for n > 0 the difference

1 2H(2)n+1

2 −1 2H(2)n

2 =

 0 if n is even 2/(n + 1)2 if n is odd it suffices to prove that the same holds for the difference En+1− En. Note that

En = Hn2

n2

X

k=1

Hn−k

k −

n

X

k=⌊n2⌋+1

Hk

k .

Assume first that n is even then ⌊n/2⌋ = ⌊(n + 1)/2⌋ = n/2 and

En+1− En = Hn+12 − Hn2

n 2

X

k=1

Hn+1−k− Hn−k

k −Hn+1

n + 1

= Hn+1+ Hn

n + 1 −

n 2

X

k=1

1

k(n + 1 − k)−Hn+1

n + 1

= Hn

n + 1− 1 n + 1

n 2

X

k=1

 1

n + 1 − k+1 k



= 0.

Assume now that n is odd then ⌊n/2⌋ = (n − 1)/2, ⌊(n + 1)/2⌋ = (n + 1)/2 and

En+1− En = Hn+12 − Hn2

n−1 2

X

k=1

Hn+1−k− Hn−k

k −2Hn+1

2

n + 1 −Hn+1

n + 1+2Hn+1

2

n + 1

= Hn+1+ Hn

n + 1 − 1 n + 1

n−1 2

X

k=1

 1

n + 1 − k +1 k



−Hn+1

n + 1

= Hn

n + 1− 1 n + 1



Hn− 2 n + 1



= 2

(n + 1)2.



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