Question Number 60198 by Mr X pcx last updated on 18/May/19
$${find}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{ln}\left(\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \left(\mathrm{1}+\frac{{k}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)^{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} \right) \\ $$
Answered by tanmay last updated on 18/May/19
$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}{ln}\left[\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{3}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)…\left(\mathrm{1}+\frac{{n}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)\right]^{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} \\ $$$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}×\left[{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)+{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)+..+{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{{n}^{\mathrm{4}} }{{n}^{\mathrm{4}} }\right)\right] \\ $$$${h}=\frac{\mathrm{1}}{{n}} \\ $$$${when}\:{n}\rightarrow\infty\:\:\:{h}\rightarrow\mathrm{0} \\ $$$$=\underset{{h}\rightarrow\mathrm{0}} {\mathrm{lim}}{h}\left[{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{1}^{\mathrm{4}} {h}^{\mathrm{4}} \right)+{ln}\left(\mathrm{1}+\mathrm{2}^{\mathrm{4}} {h}^{\mathrm{4}} \right)+..+{ln}\left(\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{4}} {h}^{\mathrm{4}} \right)\right. \\ $$$$\underset{{h}\rightarrow\mathrm{0}} {\mathrm{lim}}{h}\underset{{r}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}{ln}\left(\mathrm{1}+\left({rh}\right)^{\mathrm{4}} \right) \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right){dx} \\ $$$${now} \\ $$$$\int{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right){dx} \\ $$$$={ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)×{x}−\int\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }×\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} ×{xdx} \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}\int\frac{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} }{dx} \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}\int{dx}+\mathrm{4}\int\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} } \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}{x}+\mathrm{2}\int\frac{\frac{\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} }}{{x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}{dx} \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}{x}+\mathrm{2}\int\frac{\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)−\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)}{{x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}{dx} \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}{x}+\mathrm{2}\int\frac{{d}\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)}{\left({x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}}−\mathrm{2}\int\frac{{d}\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)}{\left({x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}} \\ $$$$={xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}{x}+\mathrm{2}×\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)−\mathrm{2}×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\left(\frac{{x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}−\sqrt{\mathrm{2}}}{{x}+\frac{\mathrm{1}}{{x}}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right) \\ $$$${so}\:{answer}\:{is} \\ $$$$=\mid{xln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{4}} \right)−\mathrm{4}{x}+\sqrt{\mathrm{2}}\:{tan}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{{x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\left(\frac{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\sqrt{\mathrm{2}}\:{x}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\:{x}}\right)\mid_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$$$=\left\{{ln}\mathrm{2}−\mathrm{4}+\sqrt{\mathrm{2}}\:{tan}^{−^{\mathrm{1}} } \left(\mathrm{0}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\left(\frac{\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\right\}−\left\{\sqrt{\mathrm{2}}\:{tan}^{−\mathrm{1}} \left(−\infty\right)\right\} \\ $$$$={ln}\mathrm{2}−\mathrm{4}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\left(\frac{\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)−\sqrt{\mathrm{2}}\:×\left(\frac{−\pi}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$${ln}\mathrm{2}−\mathrm{4}−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}{ln}\left(\frac{\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)+\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{2}}} \\ $$$${pls}\:{check}\:{mistake}\:{if}\:{any}…{lengthy}\:{problem} \\ $$