Question Number 34217 by abdo imad last updated on 02/May/18
$${calculate}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} {n}^{\mathrm{3}} \:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{4}} \:+{k}^{\mathrm{2}} {n}^{\mathrm{2}} \:+{k}^{\mathrm{4}} }\:. \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 04/May/18
$${let}\:{put}\:{S}_{{n}} \:=\:{n}^{\mathrm{3}} \:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{4}} \:+{k}^{\mathrm{2}} {n}^{\mathrm{2}} \:+{k}^{\mathrm{4}} } \\ $$$${S}_{{n}} =\:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}\:} \:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{{k}^{\mathrm{2}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{{k}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }}\:\:{so}\:{S}_{{n}} \:{is}\:{a}\:{Rieman}\:{sum} \\ $$$${and}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} \:\:=\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}^{\mathrm{4}} } \\ $$$${x}^{\mathrm{4}} \:+{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:=\:\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \:−{x}^{\mathrm{2}} =\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−{x}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+{x}\right) \\ $$$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\left({x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}\right)} \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{{ax}+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{cx}+{d}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(−{x}\right)\:={F}\left({x}\right)\Rightarrow\:\frac{−{ax}+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:−{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{−{cx}\:+{d}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}\:={F}\left({x}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${c}=−{a}\:\:{and}\:\:{b}={d}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\:\frac{{ax}+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{−{ax}\:+{b}}{{x}^{\mathrm{2}} \:−{x}\:+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{1}\:=\:\mathrm{2}{b}\:\Rightarrow\:{b}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\:\:\frac{\mathrm{2}{ax}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{−\mathrm{2}{ax}\:+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$${F}\left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\:\:\frac{\mathrm{2}{a}+\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+\frac{−\mathrm{2}{a}+\mathrm{1}}{\mathrm{1}}\right)\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\:\:\mathrm{2}{a}\:+\mathrm{1}\:−\mathrm{6}{a}+\mathrm{3}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(−\mathrm{4}{a}+\mathrm{4}\right)=\:−\mathrm{2}{a}+\mathrm{2}\:\Rightarrow \\ $$$$−\mathrm{2}{a}=−\mathrm{1}\:\Rightarrow\:{a}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$${F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\:\:\:\frac{{x}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}\:−\frac{{x}−\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:−{x}\:+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{4}} \:+{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}\:+\mathrm{1}}{dx}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{2}{x}−\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}{dx}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}}{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+{x}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\left[{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{1}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:+\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\:\:\:\frac{{dx}}{\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}\:\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{u}\right. \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{3}\right)\:\:+\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\sqrt{\mathrm{3}}} \:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}\left(\:\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} \right)}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{du} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{3}\right)\:+\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\sqrt{\mathrm{3}}} \:\:\:\:\frac{{du}}{\mathrm{1}+{u}^{\mathrm{2}} }\: \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{3}\right)\:+\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\:\left({arctan}\left(\sqrt{\mathrm{3}}\right)\:−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\right)\:…. \\ $$