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arctan sinh r cosh n

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Academic year: 2021

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Problem 11932

(American Mathematical Monthly, Vol.123, October 2016) Proposed by H. Ohtsuka (Japan).

Letr be an integer. Prove that

X

n=−∞

arctan sinh r cosh n



= πr.

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

Solution. We have that arctan sinh r

cosh n



= arctan er−e−r en+ e−n



= arctan e−(n−r)−e−(n+r) 1 + e−2n



= arctan x − y 1 + xy



= arctan(x) − arctan(y)

= arctan(e−(n−r)) − arctan(e−(n+r)) because xy = e−2n> −1.

Without loss of generality, we may assume that r ≥ 0 (otherwise we use sinh(r) = − sinh(−r)).

Hence, since cosh(n) = cosh(−n), we have that

X

n=−∞

arctan sinh r cosh n



= 2

X

n=1

arctan sinh r cosh n



+ arctan(sinh r)

= 2

X

n=1

harctan(e−(n−r)) − arctan(e−(n+r))i

+ arctan(er) − arctan(e−r).

NowP

n=1arctan(e−(n±r)) is convergent and we can split the series,

X

n=−∞

arctan sinh r cosh n



= 2

X

n=1

arctan(e−(n−r)) − 2

X

n=1

arctan(e−(n+r)) + arctan(er) − arctan(e−r)

= 2 X

m≥1−r

arctan(e−m) − 2

X

m≥r+1

arctan(e−m) + arctan(er) − arctan(e−r)

= 2 X

1−r≤m≤r

arctan(e−m) + arctan(er) − arctan(e−r)

= 2 X

−r≤m≤r

arctan(e−m) − arctan(er) − arctan(e−r)

= 2 X

1≤m≤r

arctan(em) + arctan(e−m) + 2 arctan(1) − arctan(er) − arctan(e−r)

= 2 X

1≤m≤r

π 2 + 2 ·π

4 −π 2 = πr

where, at the end, we used the identity arctan(x) + arctan(1/x) = π/2 for x > 0. 

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