Question Number 35049 by math khazana by abdo last updated on 14/May/18
$${let}\:{A}_{{n}} \:=\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right){arctanx}\:{dx} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{A}_{{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{find}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{A}_{{n}} \\ $$
Commented by abdo mathsup 649 cc last updated on 16/May/18
$$\left.\mathrm{1}\right)\:{let}\:{integrate}\:{by}\:{parts}\:{u}^{'} \:=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:\:{and}\:\:{v}={arctanx} \\ $$$${A}_{{n}} \:=\:\left[\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right){arctanx}\right]_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\:−\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\:\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right){arctan}\left({n}\right)\:−\left(\mathrm{1}−{n}\right){arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$$−\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\:\:+\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\:\:\frac{{dx}}{{x}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}\:\:{but} \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \:\:\:\frac{{dx}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\:=\:{arctan}\left({n}\right)\:−{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$$\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \frac{\mathrm{1}}{{x}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}\:{dx}=\:\int_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}\:−\frac{{x}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right){dx} \\ $$$$={ln}\left({n}\right)\:−{ln}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left[{ln}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)\right]_{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} ^{{n}} \\ $$$$=\:\mathrm{2}{ln}\left({n}\right)\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left\{\:{ln}\left(\mathrm{1}+{n}^{\mathrm{2}} \right)\:−{ln}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right)\right\}\Rightarrow \\ $$$${A}_{{n}} \:=\:\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right){arctan}\left({n}\right)−\left(\mathrm{1}−{n}\right){arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right) \\ $$$$−{arctan}\left({n}\right)\:+{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:\:+\mathrm{2}{ln}\left({n}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{2}{ln}\left({n}\right)\right) \\ $$$${A}_{{n}} =−\frac{{arctan}\left({n}\right)}{{n}}\:+{n}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:−\mathrm{2}{arctan}\left({n}\right) \\ $$$$+{ln}\left({n}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{we}\:{have} \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \left(\:−\frac{{arctan}\left({n}\right)}{{n}}\:+{n}\:{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)\:+\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:−\mathrm{2}{arctsn}\left({n}\right)\right) \\ $$$$=\mathrm{0}\:+\mathrm{1}\:−\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:−\pi\:\:\:{but}\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{ln}\left({n}\right)\:=+\infty\:\Rightarrow \\ $$$${lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:\:{A}_{{n}} =\:+\infty. \\ $$
Answered by MJS last updated on 15/May/18
$$\int\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{arctan}\left({x}\right){dx}= \\ $$$$=\int\mathrm{arctan}\left({x}\right){dx}+\int\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }{dx}= \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int\mathrm{arctan}\left({x}\right){dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\begin{bmatrix}{\int{u}'{v}={uv}−\int{uv}'}\\{{u}'=\mathrm{1}\:\Rightarrow\:{u}={x}}\\{{v}=\mathrm{arctan}\left({x}\right)\:\Rightarrow\:{v}'=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\end{bmatrix} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:={x}\mathrm{arctan}\left({x}\right)−\int\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\begin{bmatrix}{{t}={x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\:\rightarrow\:{dx}=\frac{{dt}}{\mathrm{2}{x}}}\end{bmatrix} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:={x}\mathrm{arctan}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\frac{\mathrm{1}}{{t}}{dt}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:={x}\mathrm{arctan}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{ln}\left({t}\right)}{\mathrm{2}}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:={x}\mathrm{arctan}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\int\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}^{\mathrm{2}} }{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\begin{bmatrix}{\int{u}'{v}={uv}−\int{uv}'}\\{{u}'=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\:{u}=−\frac{\mathrm{1}}{{x}}}\\{{v}=\mathrm{arctan}\left({x}\right)\:\Rightarrow\:{v}'=\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}}\end{bmatrix} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=−\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}}+\int\frac{\mathrm{1}}{{x}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=−\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}}+\int\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}}−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right){dx}= \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\begin{bmatrix}{\mathrm{same}\:\mathrm{as}\:\mathrm{above}}\end{bmatrix} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:=−\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}}+\mathrm{ln}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$$$={x}\mathrm{arctan}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{arctan}\left({x}\right)}{{x}}+\mathrm{ln}\left({x}\right)−\frac{\mathrm{ln}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}= \\ $$$$=\left(\frac{{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{{x}}\right)\mathrm{arctan}\left({x}\right)+\mathrm{ln}\left(\frac{{x}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)+{C} \\ $$$$\underset{\frac{\mathrm{1}}{{n}}} {\overset{{n}} {\int}}\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{arctan}\left({x}\right){dx}= \\ $$$$=\left(\frac{{n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{{n}}\right)\mathrm{arctan}\left({n}\right)+\mathrm{ln}\left(\frac{{n}}{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)−\left(\left(\frac{\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{{n}}}\right)\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)+\mathrm{ln}\left(\frac{\frac{\mathrm{1}}{{n}}}{\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}}\right)\right)= \\ $$$$=\left(\frac{{n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}{{n}}\right)\mathrm{arctan}\left({n}\right)+\mathrm{ln}\left(\frac{{n}}{{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)−\left(\left(\frac{\mathrm{1}−{n}^{\mathrm{2}} }{{n}}\right)\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}−\mathrm{arctan}\left({n}\right)\right)+\mathrm{ln}\left(\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)\right)= \\ $$$$=\frac{\pi\left({n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}{n}} \\ $$$$ \\ $$$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\frac{\pi\left({n}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}{n}}=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\left({n}−\frac{\mathrm{1}}{{n}}\right)=\infty \\ $$