Question Number 104774 by mathmax by abdo last updated on 23/Jul/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{B}_{\mathrm{n}} =\:\int\int_{\left[\mathrm{0},\mathrm{n}\left[^{\mathrm{2}} \right.\right.} \:\:\:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} \right)}{\:\sqrt{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} }}\mathrm{dxdy} \\ $$$$\mathrm{calculate}\:\mathrm{lim}_{\mathrm{n}\rightarrow+\infty} \:\frac{\mathrm{B}_{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 26/Jul/20
$$\mathrm{we}\:\mathrm{do}\:\mathrm{the}\:\mathrm{changement}\:\begin{cases}{\mathrm{x}\:=\mathrm{rcos}\theta}\\{\mathrm{y}\:=\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{sin}\theta}\end{cases} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{hsve}\:\mathrm{0}\leqslant\mathrm{x}<\mathrm{n}\:\mathrm{and}\:\mathrm{0}\leqslant\mathrm{y}\:<\mathrm{n}\:\Rightarrow\mathrm{0}\:\leqslant\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} \:<\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{0}\leqslant\mathrm{r}^{\mathrm{2}} <\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\mathrm{0}\leqslant\mathrm{r}<\mathrm{2n}\:\Rightarrow\mathrm{B}_{\mathrm{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2n}} \int_{\mathrm{0}} ^{\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\frac{\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{r}}\:\mathrm{r}\:\mathrm{dr}\:\mathrm{d}\theta \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2n}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dr}\:\:\mathrm{by}\:\mathrm{psrts}\: \\ $$$$\int\:\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dr}\:=\mathrm{r}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)−\int\:\mathrm{r}×\frac{\mathrm{2r}}{\mathrm{1}+\mathrm{r}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dr} \\ $$$$=\mathrm{r}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)−\mathrm{2}\:\int\:\frac{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{r}^{\mathrm{4}} }\mathrm{dr}\:\mathrm{and} \\ $$$$\int\:\frac{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\mathrm{r}^{\mathrm{4}} }\:\mathrm{dr}\:=\int\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }\:+\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }\mathrm{dr}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\frac{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }+\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }}\mathrm{dr} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int\:\frac{\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{dr}}{\left(\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\left(\rightarrow\mathrm{u}\:=\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\:\frac{\left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} }\right)\mathrm{dr}}{\left(\mathrm{r}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\left(\mathrm{v}=\mathrm{r}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{u}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{v}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{2}}\left(\rightarrow\mathrm{v}\:=\sqrt{\mathrm{2}}\alpha\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{2}}}\int\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}−\sqrt{\mathrm{2}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{u}+\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\mathrm{du}\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int\:\frac{\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{d}\alpha}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\alpha^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{u}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{u}+\sqrt{\mathrm{2}}}\mid\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{v}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:+\mathrm{c} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{2}}}\mathrm{ln}\mid\frac{\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}+\sqrt{\mathrm{2}}}\mid+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{r}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)\right)\:+\mathrm{c} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 26/Jul/20
$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}}\left\{\:\mathrm{ln}\left(\sqrt{\frac{\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}−\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{r}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}+\sqrt{\mathrm{2}}}}\right)\:+\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{r}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)\right)\:+\mathrm{c}\:\Rightarrow\right. \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2n}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{dr}\:=\left[\mathrm{r}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2n}} \:−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left[\left\{\mathrm{ln}\left(\sqrt{\frac{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{r}}{\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{r}}}\right)\right.\right. \\ $$$$\left.+\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{r}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{r}}\right)\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2n}} \\ $$$$=\mathrm{2n}\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \right)−\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left\{\mathrm{ln}\left(\sqrt{\frac{\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{n}}{\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{n}}}\right)+\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{2n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2n}}\right)=\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \right.\right. \\ $$$$\left.+\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right\}\:\Rightarrow\mathrm{B}_{\mathrm{n}} =\frac{\pi}{\mathrm{2}}\mathrm{u}_{\mathrm{n}} \:\Rightarrow\frac{\mathrm{B}_{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}}\:=\frac{\pi}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{u}_{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}} \\ $$$$=\pi\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \right)\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}\sqrt{\mathrm{2}}}\left\{\mathrm{ln}\sqrt{\frac{\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}−\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{n}}{\mathrm{4n}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}+\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{2}}\mathrm{n}}}+\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{2n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}}\right)\right\}\right. \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{lim}_{\mathrm{n}\rightarrow+\infty} \:\frac{\mathrm{B}_{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}}\:=\pi×\frac{\pi}{\mathrm{2}}\:=\frac{\pi^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}} \\ $$