Question Number 208194 by universe last updated on 07/Jun/24
$$\:\:\:\:\:\:\:\:{I}_{{n}} \:=\:\:\int_{\mathrm{0}\:} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }{dx} \\ $$$$\:\:{prove}\:{that}\:\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{I}_{{n}} }{{n}}\:\:=\:\:\pi \\ $$
Answered by Berbere last updated on 07/Jun/24
$${I}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{y}^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} {dy}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+{y}\right)^{{n}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{y}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}−\mathrm{1}} }{\left(\mathrm{1}+{y}\right)^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} }=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\beta\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}},{n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{{I}}{{n}}=\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}}.\frac{\Gamma\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\Gamma\left({n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)}{\Gamma\left({n}\right)}=\Sigma\frac{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\Gamma\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\Gamma\left({n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)}{\Gamma\left({n}+\mathrm{1}\right)}=\Sigma\frac{\Gamma\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)\Gamma\left({n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)}{\Gamma\left({n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right)} \\ $$$$=\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\beta\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}},{n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\overset{{n}=\mathrm{1}+{n}} {=}\underset{{n}\geqslant\mathrm{0}} {\sum}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {t}^{{n}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \left(\mathrm{1}−{t}\right)^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} {dt} \\ $$$$=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \sqrt{{t}}\left(\mathrm{1}−{t}\right)^{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}} .\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{t}}{dt}=\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \sqrt{{t}\left(\mathrm{1}−{t}\right)}{dt}=\beta\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}},\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)=\frac{\pi}{{sin}\left(\frac{\pi}{\mathrm{2}}\right)}=\pi \\ $$$$\underset{{n}\geqslant\mathrm{1}} {\sum}\frac{{I}_{{n}} }{{n}}=\pi \\ $$
Answered by namphamduc last updated on 07/Jun/24
$$\mathrm{No}\:\mathrm{need}\:\mathrm{to}\:\mathrm{use}\:\mathrm{Beta}\:\mathrm{function} \\ $$$${I}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }{dx} \\ $$$$\Rightarrow{S}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{I}_{{n}} }{{n}}=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \left(\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\mathrm{1}}{{n}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }\right){dx}=−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{ln}\left(\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right){dx} \\ $$$$=−\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \mathrm{ln}\left(\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right){dx} \\ $$$$\begin{cases}{{u}=\mathrm{ln}\left(\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)}\\{{dv}={dx}}\end{cases}\Rightarrow\begin{cases}{{du}=\frac{\mathrm{2}}{{x}\left(\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} \right)}{dx}}\\{{v}={x}}\end{cases} \\ $$$$\Rightarrow{S}=\left(−{x}\mathrm{ln}\left(\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+{x}^{\mathrm{2}} }\right)+\mathrm{2tan}^{−\mathrm{1}} \left({x}\right)\right)\mid_{\mathrm{0}} ^{\infty} =\mathrm{2}.\frac{\pi}{\mathrm{2}}=\pi \\ $$