Question Number 67006 by mathmax by abdo last updated on 21/Aug/19
$${calculae}\:{A}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{{n}} }\:\:\:{with}\:{n}\:{integr}\:{natural}\:{and}\:{n}>\mathrm{0} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 22/Aug/19
$${A}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{{dx}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{{n}} }\:\:{changement}\:{x}={tan}\theta\:{give}\: \\ $$$${A}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\:\:\:\frac{\left(\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} \theta\right)}{\left(\mathrm{1}+{tan}^{\mathrm{2}} \theta\right)^{{n}} }{d}\theta\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\left({cos}^{\mathrm{2}} \theta\right)^{{n}−\mathrm{1}} {d}\theta\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \theta\:{d}\theta \\ $$$$\left({its}\:{a}\:{wallis}\:{integral}\right)\:{we}\:{have}\:{A}_{{n}+\mathrm{1}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:{cos}^{\mathrm{2}{n}} \theta{d}\theta \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\left(\mathrm{1}−{sin}^{\mathrm{2}} \theta\right){cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \theta\:{d}\theta\:=\:{A}_{{n}−\mathrm{1}} −\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:{sin}^{\mathrm{2}} \theta\:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \theta\:{d}\theta \\ $$$${by}\:{parts}\:{u}={sin}\theta\:\:{and}\:{v}^{'} \:={sin}\theta\:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \theta\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} {sin}^{\mathrm{2}} \theta\:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}} \theta\:{d}\theta\:=\left[−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}{sin}\theta\:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \theta\right]_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:{cos}\theta\:{cos}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \theta\:{d}\theta \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\:{A}_{{n}+\mathrm{1}} \:\Rightarrow{A}_{{n}+\mathrm{1}} ={A}_{{n}−\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\:{A}_{{n}+\mathrm{1}} \:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\right){A}_{{n}+\mathrm{1}} ={A}_{{n}} \:\Rightarrow\frac{\mathrm{2}{n}}{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}\:{A}_{{n}+\mathrm{1}} ={A}_{{n}} \:\Rightarrow{A}_{{n}+\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}\:{A}_{{n}} \\ $$$$\Rightarrow\:\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{A}_{{k}+\mathrm{1}} =\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}{k}}\:×\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{A}_{{k}} \:\Rightarrow \\ $$$${A}_{\mathrm{2}} .{A}_{\mathrm{3}} …..{A}_{{n}} =\frac{\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right)}{\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}{k}\right)}×{A}_{\mathrm{1}} .{A}_{\mathrm{2}} …..{A}_{{n}−\mathrm{1}\:\:} \Rightarrow \\ $$$${A}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}.\mathrm{3}.\mathrm{5}……\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{3}\right)}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}\:{A}_{\mathrm{1}} \:=\frac{\mathrm{1}.\mathrm{2}.\mathrm{3}.\mathrm{4}.\mathrm{5}….\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{3}\right)\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}\right)}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\mathrm{2}.\mathrm{4}….\mathrm{2}\left({n}−\mathrm{1}\right)}{A}_{\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}\right)!}{\left(\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{2}} \left(\left({n}−\mathrm{1}\right)!\right)^{\mathrm{2}} }\:\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:=\frac{\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{2}\right)!}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} \left\{\left({n}−\mathrm{1}\right)!\right\}^{\mathrm{2}} }×\pi \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$