Question Number 38896 by math khazana by abdo last updated on 01/Jul/18
$${let}\:{A}_{{n}} =\:\int_{\mathrm{0}} ^{{n}} \:\:\:\frac{{x}\left[{x}\right]}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\:{dx} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{A}_{{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{A}_{{n}} \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 01/Jul/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{we}\:{have}\:{A}_{{n}} =\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\int_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{kx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{k}\:\int_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \:\:\frac{{xdx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{k}}{\mathrm{2}}\left({ln}\left(\mathrm{1}+\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right)\:−{ln}\left(\mathrm{1}+{k}^{\mathrm{2}} \right)\right) \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\:\frac{{k}}{\mathrm{2}}{ln}\left\{\frac{\mathrm{1}\:+{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\frac{{k}}{\mathrm{2}}{ln}\left\{\:\:\frac{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\}\:\: \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{ln}\left\{\:\frac{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}\:+\mathrm{2}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\}={ln}\left\{\:\:\frac{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\:+\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right\} \\ $$$$={ln}\left(\:\mathrm{1}+\:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right)\:{but} \\ $$$${ln}^{'} \left(\mathrm{1}+{x}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}}\:=\mathrm{1}−{x}\:+{o}\left({x}^{\mathrm{2}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$${ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)\:={x}\:−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:+{o}\left({x}^{\mathrm{3}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$${x}−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:\leqslant\:{ln}\left(\mathrm{1}+{x}\right)\leqslant{x}\:\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\frac{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({k}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\leqslant\:{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right)\leqslant\:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{k}}{\mathrm{2}}\left\{\:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\frac{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}\leqslant\:\frac{{k}}{\mathrm{2}}{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$\leqslant\:\frac{{k}}{\mathrm{2}}\:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$${A}_{{n}} \:\geqslant\:\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\:\frac{{k}\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\:−\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{{k}}{\mathrm{4}}\:\frac{\left(\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\left({k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\rightarrow+\infty \\ $$$$\left({n}\rightarrow+\infty\right)\:{so}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{A}_{{n}} =+\infty. \\ $$
Commented by math khazana by abdo last updated on 01/Jul/18
$$\left.\mathrm{2}\right)\:{another}\:{method}\:\:{we}\:{have}\:\mathrm{0}\leqslant{x}\leqslant{n}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{0}\leqslant{x}^{\mathrm{2}} \leqslant{n}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\:\mathrm{1}\leqslant\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \:\leqslant\:\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\:\geqslant\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\:{A}_{{n}} \geqslant\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} }\:\int_{\mathrm{0}} ^{{n}} \:{x}\left[{x}\right]{dx}\:{but} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{{n}} \:{x}\left[{x}\right]{dx}\:=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\int_{{k}} ^{{k}+\mathrm{1}} \:{kx}\:{dx} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} {k}\:\left\{\:\frac{\left({k}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:−\frac{{k}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\right\} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{k}\:\left\{\:\frac{{k}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}{k}\:+\mathrm{1}−{k}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\right\} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{k}\:\frac{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:{k} \\ $$$$=\:\frac{\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}\left({n}−\mathrm{1}\right)+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{6}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\frac{\left({n}−\mathrm{1}\right){n}}{\mathrm{2}} \\ $$$$=\frac{{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{6}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({n}^{\mathrm{2}} \:−{n}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${A}_{{n}} \:\geqslant\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\left\{\:\:\frac{{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{6}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\left({n}^{\mathrm{2}} −{n}\right)\right\}\rightarrow+\infty \\ $$$$\left({n}\rightarrow+\infty\right) \\ $$
Answered by tanmay.chaudhury50@gmail.com last updated on 01/Jul/18
$${A}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \frac{{x}×\mathrm{0}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx}+\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \frac{{x}×\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx}+\int_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} \frac{{x}×\mathrm{2}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }+ \\ $$$$\:\:\int_{{n}−\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{{x}×\left({n}−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\mathrm{1}\int_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\mathrm{2}\int_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} \frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\mathrm{3}\int_{\mathrm{3}} ^{\mathrm{4}} \frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\mathrm{4}\int_{\mathrm{4}} ^{\mathrm{5}} \frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }+…+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}×\left({n}−\mathrm{1}\right)\int_{{n}−\mathrm{1}} ^{{n}} \frac{\mathrm{2}{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\mathrm{1}×\mid{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\mid_{\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}×\mid{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\mid_{\mathrm{2}} ^{\mathrm{3}} +..+\right. \\ $$$$\left.\left({n}−\mathrm{1}\right)\mid{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\mid_{{n}−\mathrm{1}} ^{{n}} \right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{1}×\left({ln}\mathrm{5}−{ln}\mathrm{2}\right)+\mathrm{2}×\left({ln}\mathrm{10}−{ln}\mathrm{5}\right)+\right. \\ $$$$\:\:+…+\left({n}−\mathrm{1}\right)\left\{{ln}\left(\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} \right)−{ln}\left(\mathrm{1}+\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \right\}\right] \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ln}\left\{\left(\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{1}} ×\left(\frac{\mathrm{10}}{\mathrm{5}}\right)^{\mathrm{2}} ×…×\left(\frac{\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\left({n}−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\right)^{{n}−\mathrm{1}} \right\} \\ $$$$ \\ $$