Question Number 144261 by ZiYangLee last updated on 23/Jun/21
$$\mathrm{Find}\:\mathrm{the}\:\mathrm{value}\:\mathrm{of}\:\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:\underset{{k}={n}} {\overset{\mathrm{2}{n}} {\sum}}\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} }{{k}}. \\ $$
Commented by Dwaipayan Shikari last updated on 23/Jun/21
$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\underset{{k}={n}} {\overset{\mathrm{2}{n}} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{k}} }{{k}} \\ $$$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}}−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}+\mathrm{1}}+\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{2}} }{{n}+\mathrm{2}}+…\frac{\mathrm{1}}{{n}+{n}} \\ $$$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+{k}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+\frac{{k}}{{n}}}=\frac{\mathrm{1}}{{n}}\Sigma\frac{{e}^{\pi{i}\left({n}+{k}−\mathrm{1}\right)} }{\mathrm{1}+\frac{{k}}{{n}}} \\ $$$$ \\ $$$${If}\:{it}\:{was}\: \\ $$$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\mathrm{1}}{{n}}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{{k}}{{n}}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}}{dx}=\mathrm{ln}\:\left(\mathrm{2}\right) \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 24/Jun/21
$$\mathrm{p}\left(\mathrm{x}\right)=\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{n}} ^{\mathrm{2n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}}\mathrm{x}^{\mathrm{k}} \:\Rightarrow\mathrm{P}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{n}} ^{\mathrm{2n}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \mathrm{x}^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}}\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{n}} ^{\mathrm{2n}} \:\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{k}\:} =_{\mathrm{k}−\mathrm{n}=\mathrm{j}} \:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}}\sum_{\mathrm{j}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{n}} \left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{j}} \\ $$$$=\frac{\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{x}}\sum_{\mathrm{j}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{n}} \:\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{j}} \:=\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} ×\frac{\mathrm{1}−\left(−\mathrm{x}\right)^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}} \\ $$$$=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\left(\mathrm{1}+\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}+\mathrm{1}} \right) \\ $$$$=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\:\Rightarrow\mathrm{p}\left(\mathrm{x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{x}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:+\mathrm{C} \\ $$$$\mathrm{p}\left(\mathrm{o}\right)=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{c}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\mathrm{p}\left(\mathrm{x}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{x}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx}\:\mathrm{and} \\ $$$$\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{n}} ^{\mathrm{2n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}}=\mathrm{p}\left(\mathrm{1}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \:+\mathrm{x}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{1}+\mathrm{x}}\mathrm{dx} \\ $$$$\mid\mathrm{p}\left(\mathrm{1}\right)\mid\leqslant\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \:\mathrm{dx}\:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:\mathrm{x}^{\mathrm{2n}} \:\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2n}+\mathrm{1}}\rightarrow\mathrm{0}\left(\mathrm{n}\rightarrow+\infty\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{lim}_{\mathrm{n}\rightarrow\infty} \sum_{\mathrm{k}=\mathrm{n}} ^{\mathrm{2n}} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} }{\mathrm{k}}=\mathrm{0} \\ $$