Question Number 40040 by abdo mathsup 649 cc last updated on 15/Jul/18
$${let}\:{A}_{{n}} =\:\int_{\mathrm{0}} ^{{n}} \:\:{e}^{−{n}\left(\:{x}+\mathrm{2}−\left[{x}\right]\right)} {dx}\:\:{with}\:{n}\:{integr}\:{natural} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{A}_{{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{A}_{{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{study}\:{the}\:{convergence}\:{of}\:\:\:\sum_{{n}} {A}_{{n}} \\ $$
Commented by abdo mathsup 649 cc last updated on 17/Jul/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:\:{A}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\int_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \:{e}^{−{n}\left({x}+\mathrm{2}−{k}\right)} {dx} \\ $$$$=\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\:\:{e}^{−{n}\left(\mathrm{2}−{k}\right)} \:\:\int_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \:{e}^{−{nx}} {dx} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{e}^{{n}\left({k}−\mathrm{2}\right)} \:\:\left[−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:{e}^{−{nx}} \right]_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \\ $$$$=\:\frac{\mathrm{1}}{{n}}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{e}^{{n}\left({k}−\mathrm{2}\right)} \left\{\:{e}^{−{nk}} \:−{e}^{−\left({n}+\mathrm{1}\right){k}} \right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:{e}^{−\mathrm{2}{n}} \:\:\:−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\:{e}^{−\mathrm{2}{n}−{k}} \\ $$$$=\:{e}^{−\mathrm{2}{n}} \:\:\:−\frac{{e}^{−\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\left({e}^{−\mathrm{1}} \right)^{{k}} \\ $$$${A}_{{n}} ={e}^{−\mathrm{2}{n}} \:\:−\frac{{e}^{−\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:\frac{\mathrm{1}−\left({e}^{−\mathrm{1}} \right)^{{n}} }{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} } \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{e}^{−\mathrm{2}{n}} \:=\mathrm{0} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\:\frac{{e}^{−\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:=\mathrm{0}\:\:{and}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\:\frac{\mathrm{1}−\:{e}^{−{n}} }{\mathrm{2}−{e}^{−\mathrm{1}} }\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} } \\ $$$$\Rightarrow\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\:{A}_{{n}} =\mathrm{0} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{we}\:{have}\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{A}_{{n}} =\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{e}^{−\mathrm{2}{n}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} }\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{{e}^{−\mathrm{2}{n}} }{{n}} \\ $$$$+\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} }\:\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{e}^{−\mathrm{3}{n}} }{{n}}\:{but}\:{we}\:{have}\: \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:{e}^{−\mathrm{2}{n}} \:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\left({e}^{−\mathrm{2}} \right)^{{n}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{2}} } \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{{e}^{−\mathrm{2}{n}} }{{n}}\:=\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\frac{\left({e}^{−\mathrm{2}} \right)^{{n}} }{{n}}\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\sum_{{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\:\:\frac{{e}^{−\mathrm{3}{n}} }{{n}}\:=−{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{3}} \right)\:\Rightarrow\Sigma\:{A}_{{n}} \:{is}\:{convergent} \\ $$$${and}\:\sum_{{n}\geqslant\mathrm{1}} \:{A}_{{n}} =\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} }{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{2}} \right) \\ $$$$−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} }{ln}\left(\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{3}} \right)\:. \\ $$$$ \\ $$