Question Number 99237 by abdomathmax last updated on 19/Jun/20
$$\mathrm{calculate}\:\mathrm{lim}_{\mathrm{n}\rightarrow+\infty} \:\:\:\:\:\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\:\frac{\sqrt{\mathrm{kn}}}{\left(\mathrm{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 19/Jun/20
$${l}=\underset{\mathrm{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\frac{\sqrt{\mathrm{kn}}}{\left(\mathrm{k}^{\mathrm{2}} +\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)}=\underset{\mathrm{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\underset{\mathrm{k}=\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{kn}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{n}}}}{\left(\mathrm{k}^{\mathrm{2}} +\mathrm{n}^{\mathrm{2}} \right)}=\underset{\mathrm{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }\underset{\mathrm{n}\rightarrow\infty} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{k}}{\mathrm{n}}}}{\left[\frac{\mathrm{k}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}\right]} \\ $$$$\:\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \frac{\sqrt{\mathrm{x}}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\mathrm{dx}\:\:,\:\mathrm{t}^{\mathrm{2}} =\mathrm{x}\Rightarrow\mathrm{2tdt}=\mathrm{dx} \\ $$$$\Rightarrow{l}=\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{2t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt}=\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)+\left(\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt}=\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt}+\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{4}} +\mathrm{1}}\mathrm{dt} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:=\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}\mathrm{dt}+\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}\mathrm{dt}=\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}\mathrm{dt}+\int_{\mathrm{1}} ^{\sqrt{\mathrm{2}}} \frac{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\mathrm{dt} \\ $$$$\mathrm{u}=\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\Rightarrow\mathrm{du}=\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{dt},\:\:\mathrm{v}=\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\Rightarrow\mathrm{dv}=\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{dt} \\ $$$$\Rightarrow{l}=\int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} \frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}+\int_{\mathrm{2}} ^{\frac{\mathrm{3}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} \frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}=\left[\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{u}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} −\left[\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{tanh}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{v}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right]_{\mathrm{2}} ^{\frac{\mathrm{3}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}} \\ $$$$\Rightarrow{l}=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left[\mathrm{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\right]−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left[\mathrm{tanh}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{tanh}^{−\mathrm{1}} \left(\sqrt{\mathrm{2}}\right)\right] \\ $$$$\left.\mathrm{undefined\begin{cases}{}\\{}\end{cases}f}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{tanh}^{−\mathrm{1}} \mathrm{x}\Rightarrow\mathrm{x}\in\right]−\mathrm{1},\mathrm{1}\left[\right. \\ $$
Commented by abdomathmax last updated on 19/Jun/20
$$\mathrm{thanks}\:\mathrm{sir}. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 21/Jun/20
$$\mathrm{oo}\:\mathrm{yes}\:\mathrm{you}\:\mathrm{are}\:\mathrm{right}\:… \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 21/Jun/20
$$\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\:=\mathrm{v}\:\Rightarrow\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\mathrm{dt}\:=−\int_{\mathrm{2}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\int_{\mathrm{2}} ^{\infty} \:\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{v}−\sqrt{\mathrm{2}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{v}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\mathrm{dv} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\left[\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{v}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{v}+\sqrt{\mathrm{2}}}\mid\right]_{\mathrm{2}} ^{\infty} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right) \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 20/Jun/20
$$\mathrm{s}\:=\mathrm{lim}_{\mathrm{n}\rightarrow+\infty} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}}\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\:\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{k}}{\mathrm{n}}}}{\mathrm{1}+\left(\frac{\mathrm{k}}{\mathrm{n}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}\:} \:\frac{\sqrt{\mathrm{x}}}{\mathrm{1}+\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{dx} \\ $$$$=_{\sqrt{\mathrm{x}}=\mathrm{t}} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}\:} \:\:\frac{\mathrm{t}}{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\left(\mathrm{2t}\right)\mathrm{dt}\:=\mathrm{2}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dt}\:\:\mathrm{but} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{t}^{\mathrm{4}} }\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{dt}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}\:\mathrm{dt} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\mathrm{dt}\left(\mathrm{t}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}=−\mathrm{u}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}^{\mathrm{2}} }}{\left(\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{t}}=−\mathrm{v}\right) \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{−\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{−\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\:\mathrm{we}\:\mathrm{hsve} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\:=_{\mathrm{u}=\sqrt{\mathrm{2}}\alpha} \:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{d}\alpha}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\alpha^{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}×\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{v}−\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{v}+\mathrm{2}}\right)\mathrm{dv}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left[\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{v}−\mathrm{2}}{\mathrm{v}+\mathrm{2}}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}×\mathrm{0}=\mathrm{0}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{s}\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$
Commented by Ar Brandon last updated on 21/Jun/20
$$\mathrm{How}\:\mathrm{did}\:\mathrm{you}\:\mathrm{obtain}\:\mathrm{your}\:\mathrm{limits}\:\mathrm{for}\:\mathrm{v}? \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{thought}\:\mathrm{it}\:\mathrm{was}\:\mathrm{supposed}\:\mathrm{to}\:\mathrm{range}\:\mathrm{from}\:\mathrm{2}\:\mathrm{to}\:−\infty \\ $$