Question Number 46840 by maxmathsup by imad last updated on 01/Nov/18
$${find}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{{n}^{\mathrm{2}\:} +{k}^{\mathrm{2}} }{{n}^{\mathrm{3}} \:+{k}^{\mathrm{3}} } \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 03/Nov/18
$${let}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{{n}^{\mathrm{2}\:} +{k}^{\mathrm{2}} }{{n}^{\mathrm{3}} \:+{k}^{\mathrm{3}} }\:\:\Rightarrow\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\frac{{n}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\frac{{k}^{\mathrm{2}} }{{n}^{\mathrm{2}} }\right)}{{n}^{\mathrm{3}} \left(\mathrm{1}+\frac{{k}^{\mathrm{3}} }{{n}^{\mathrm{3}} }\right)}\:=\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}+\left(\frac{{k}}{{n}}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\left(\frac{{k}}{{n}}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${so}\:{S}_{{n}} \:{is}\:{a}\:{Rieman}\:{sum}\:{and}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} }{dx} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} }\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} }\:{dx}\:{but}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} }{dx}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{3}} \right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}} \\ $$$${let}\:{decompose}\:{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}\right)}\:=\frac{{a}}{{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{{bx}\:+{c}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${a}\:={lim}_{{x}\rightarrow−\mathrm{1}} \left({x}+\mathrm{1}\right){F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}} \\ $$$${lim}_{{x}\rightarrow+\infty} {xF}\left({x}\right)\:=\mathrm{0}\:={a}+{b}\:\Rightarrow{b}\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:+\frac{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{x}\:+{c}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}+\mathrm{1}} \\ $$$${F}\left(\mathrm{0}\right)\:=\mathrm{1}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\:+{c}\:\Rightarrow{c}\:=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\:\Rightarrow{F}\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left({x}+\mathrm{1}\right)}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\:}\:\frac{{x}−\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{F}\left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left[{ln}\mid{x}+\mathrm{1}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}−\mathrm{3}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}}{dx} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\left[{ln}\mid{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}\mid\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{{dx}}{{x}^{\mathrm{2}} −{x}\:+\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\:\frac{{dx}}{\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{4}}}\:=_{{x}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{t}} \:\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} ^{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}} \:\:\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}\:\frac{\mathrm{1}}{{t}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}{dt} \\ $$$$=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\:=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\frac{\pi}{\mathrm{6}}\:=\frac{{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\:{S}_{{n}} =\frac{\mathrm{2}{ln}\left(\mathrm{2}\right)}{\mathrm{3}}\:+\frac{\pi}{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{3}}}\:. \\ $$