Question Number 36923 by maxmathsup by imad last updated on 07/Jun/18
$${for}\:{t}\geqslant\mathrm{0}\:{and}\:\:{f}\left({t}\right)=\:\frac{{t}}{\:\sqrt{\mathrm{1}+{t}}}\:\:{let} \\ $$$${S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{f}\left(\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right)\:\:{study}\:{the}\:{convergence}\:{of}\:{S}_{{n}} \:\:. \\ $$
Commented by abdo.msup.com last updated on 10/Jun/18
$${we}\:{have}\:\left(\mathrm{1}+{t}\right)^{\alpha} \:=\mathrm{1}+\alpha{t}\:+\frac{\alpha\left(\alpha−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}{t}^{\mathrm{2}} \:+… \\ $$$$\Rightarrow\left(\mathrm{1}+{t}\right)^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \:=\mathrm{1}−\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)\left(−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\right){t}^{\mathrm{2}} +.. \\ $$$$=\mathrm{1}−\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}}\:{t}^{\mathrm{2}} \:−…\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{1}−\frac{{t}}{\mathrm{2}}\leqslant\:\left(\mathrm{1}+{t}\right)^{−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} \leqslant\:\mathrm{1}−\frac{{t}}{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}}{t}^{\mathrm{2}} \:\:\:\forall{t}\geqslant\mathrm{0} \\ $$$${t}−\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\leqslant\:{f}\left({t}\right)\leqslant{t}−\frac{{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{8}}{t}^{\mathrm{3}} \:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{k}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{4}} }\leqslant\:{f}\left(\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right)\leqslant\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{k}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{4}} }\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}}\:\frac{{k}^{\mathrm{3}} }{{n}^{\mathrm{6}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {k}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{4}} }\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \leqslant\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {f}\left(\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$\leqslant\:\frac{\mathrm{1}}{{n}^{\mathrm{2}} }\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {k}\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{4}} }\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {k}^{\mathrm{2}} \:\:+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}{n}^{\mathrm{6}} }\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} {k}^{\mathrm{3}} \\ $$$$\Rightarrow\frac{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{4}} }\frac{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{6}}\leqslant \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{f}\left(\frac{{k}}{{n}^{\mathrm{2}} }\right)\leqslant\:\frac{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}{n}^{\mathrm{2}} }\:−\frac{{n}\left({n}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{12}{n}^{\mathrm{4}} } \\ $$$$+\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}{n}^{\mathrm{6}} }\:\:\frac{{n}^{\mathrm{2}} \left({n}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\:\:\Rightarrow\:{lim}_{{n}\rightarrow+\infty} \:{S}_{{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$