Uploaded by Xiaohan Du

Find Sum of the Series & Key

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Math235 – Fall 2022
Integration & Series
12/20/2022
Evaluate the following integrals:
1.
2๐‘ฅ 2 − ๐‘ฅ + 4 ๐ด๐‘ฅ + ๐ต ๐ถ
๐‘ฅ−1 1
= 2
+ = 2
+
3
๐‘ฅ + 4๐‘ฅ
๐‘ฅ +4 ๐‘ฅ ๐‘ฅ +4 ๐‘ฅ
=∫
๐‘ฅ−1
๐‘ฅ 2 +4
๐‘‘๐‘ฅ + ∫
๐‘‘๐‘ฅ
๐‘ฅ
๐‘™๐‘’๐‘ก ๐‘ฅ = 2 ๐‘ก๐‘Ž๐‘› ๐œƒ
∴ ๐‘‘๐‘ฅ = 2๐‘ ๐‘’๐‘ 2 ๐œƒ๐‘‘๐œƒ
∫
2๐‘ก๐‘Ž๐‘›๐œƒ − 1
2๐‘ก๐‘Ž๐‘›๐œƒ − 1
๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ
๐œƒ
2
2๐‘ ๐‘’๐‘
๐œƒ๐‘‘๐œƒ
+
๐‘™๐‘›๐‘ฅ
=
∫
๐‘‘๐œƒ
+
๐‘™๐‘›๐‘ฅ
=
∫
๐‘‘๐œƒ
−
+ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ
4(๐‘ก๐‘Ž๐‘›2 ๐œƒ + 1)
2
๐‘๐‘œ๐‘ ๐œƒ
2
๐‘™๐‘’๐‘ก ๐‘ก = ๐‘๐‘œ๐‘ ๐œƒ
∴ ๐‘‘๐‘ก = −๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘‘๐œƒ
๐‘ฅ
๐‘ฅ
−1 ๐‘ฅ
๐‘ก๐‘Ž๐‘›−1
๐‘ก๐‘Ž๐‘›−1
−๐‘‘๐‘ก ๐‘ก๐‘Ž๐‘› 2
๐‘ฅ
2
2 + ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐ถ
=∫
−
+ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ = −๐‘™๐‘›๐‘ก −
+ ๐‘™๐‘›๐‘ฅ + ๐ถ = −๐‘™๐‘›|
|−
2
๐‘ก
2
2
2
√๐‘ฅ + 4
2.
1 − ๐‘ฅ + 2๐‘ฅ 2 − ๐‘ฅ 3 ๐ด ๐ต๐‘ฅ + ๐ถ
๐ท๐‘ฅ + ๐ธ
1 ๐‘ฅ+1
๐‘ฅ
= + 2
+ 2
= − 2
+ 2
2
2
2
(๐‘ฅ
(๐‘ฅ
๐‘ฅ(๐‘ฅ + 1)
๐‘ฅ ๐‘ฅ +1
+ 1)
๐‘ฅ ๐‘ฅ +1
+ 1)2
=∫
1
๐‘ฅ
−
๐‘ฅ+1
๐‘ฅ2 + 1
+
๐‘ฅ
( ๐‘ฅ 2 + 1)
๐‘‘๐‘ฅ = ln|๐‘ฅ| − ∫
2
๐‘ฅ
1
๐‘ฅ
∫
∫
๐‘‘๐‘ฅ
−
๐‘‘๐‘ฅ
+
๐‘‘๐‘ฅ
( ๐‘ฅ 2 + 1) 2
๐‘ฅ2 + 1
๐‘ฅ2 + 1
๐‘ ๐‘’๐‘ก ๐‘ก = ๐‘ฅ 2 + 1 ; ๐‘‘๐‘ก = 2๐‘ฅ ๐‘‘๐‘ฅ
ln|๐‘ฅ| − ∫
๐‘ฅ
1
๐‘ฅ
1 1
1 1
−1
|
|
∫
∫
∫
∫ ๐‘‘๐‘ก
๐‘‘๐‘ฅ
−
๐‘‘๐‘ฅ
+
๐‘‘๐‘ฅ
=
ln
๐‘ฅ
−
๐‘‘๐‘ก
−
tan
๐‘ฅ
+
( ๐‘ฅ 2 + 1) 2
๐‘ฅ2 + 1
๐‘ฅ2 + 1
2 ๐‘ก
2 ๐‘ก2
1
1
1
1
= ln|๐‘ฅ| − ln|๐‘ก | − tan−1 ๐‘ฅ − + ๐ถ = ln|๐‘ฅ| − ln(๐‘ฅ 2 + 1) − tan−1 ๐‘ฅ −
+๐ถ
2
2๐‘ก
2
2(๐‘ฅ 2 + 1)
3.
๐‘™๐‘’๐‘ก (๐‘ฅ 5 + 5๐‘ฅ 3 + 5๐‘ฅ) = ๐‘ก
∴ 5(๐‘ฅ 4 + 3๐‘ฅ 2 + 1) ๐‘‘๐‘ฅ = ๐‘‘๐‘ก
=∫
๐‘‘๐‘ก 1
1
= ๐‘™๐‘›(๐‘ก ) + ๐ถ = ๐‘™๐‘›(๐‘ฅ 5 + 5๐‘ฅ 3 + 5๐‘ฅ) + ๐ถ
5๐‘ก 5
5
4.
๐‘™๐‘’๐‘ก ๐‘’ ๐‘ฅ = ๐‘ก
∴ ๐‘’ ๐‘ฅ ๐‘‘๐‘ฅ = ๐‘‘๐‘ก
=∫
๐‘ก๐‘‘๐‘ก
−1
2
−1
2
=∫
๐‘‘๐‘ก + ∫
๐‘‘๐‘ก = ∫
๐‘‘ (๐‘ก + 1) + ∫
๐‘‘ (๐‘ก + 2)
(๐‘ก + 1)(๐‘ก + 2)
๐‘ก+1
๐‘ก+2
๐‘ก+1
๐‘ก+2
= − ๐‘™๐‘›(๐‘ก + 1) + 2 ๐‘™๐‘›(๐‘ก + 2) + ๐ถ = − ๐‘™๐‘›(๐‘’ ๐‘ฅ + 1) + 2 ๐‘™๐‘›(๐‘’ ๐‘ฅ + 2) + ๐ถ
5.
๐‘™๐‘’๐‘ก √๐‘ฅ = ๐‘ก
∴
1
2 √๐‘ฅ
√3
∫
√3
3
๐‘‘๐‘ฅ = ๐‘‘๐‘ก๐‘Ž๐‘›๐‘‘๐‘ก:
√3
→ √3
3
√3 2๐‘‘๐‘ก
๐‘ก
∗ 2๐‘ก๐‘‘๐‘ก = ∫ 2
√3 ๐‘ก + 1
๐‘ก4 + ๐‘ก2
3
๐‘™๐‘’๐‘ก ๐‘ก = ๐‘ก๐‘Ž๐‘›๐‘ข
∴ ๐‘‘๐‘ก = ๐‘ ๐‘’๐‘ 2 ๐‘ข๐‘‘๐‘ข
√3
∫
√3
3
−1
−1
๐‘ก๐‘Ž๐‘› √3
๐‘ก๐‘Ž๐‘› √3
2๐‘‘๐‘ก
1
3
2
−1
−1 √
∫
∫
=
2
∗
๐‘ ๐‘’๐‘
๐‘ข๐‘‘๐‘ข
=
2๐‘‘๐‘ข
=
2
๐‘ก๐‘Ž๐‘›
−
2
๐‘ก๐‘Ž๐‘›
√3
√3
√3
๐‘ก2 + 1
๐‘ก๐‘Ž๐‘›2 ๐‘ข + 1
3
๐‘ก๐‘Ž๐‘›−1
๐‘ก๐‘Ž๐‘›−1
3
3
Determine whether the sequence converges or diverges. If it converges, find the limit.
6.
(converges)
3 ๐‘›
๐‘Ž๐‘› = 9 × ( )
5
3
๐‘™๐‘–๐‘š 9 × ( )๐‘› = 0
๐‘›→∞
5
7.
(diverges)
8.
(converges)
โˆต −1 ≤ ๐‘ ๐‘–๐‘›(2๐‘›) ≤ 1๐‘Ž๐‘›๐‘‘1 + √๐‘› > 0
∴ ๐‘™๐‘–๐‘š
−1
๐‘›→∞ 1
+ √๐‘›
≤ ๐‘™๐‘–๐‘š
๐‘ ๐‘–๐‘›(2๐‘›)
1 + √๐‘›
๐‘›→∞
∴ 0 ≤ ๐‘™๐‘–๐‘š
๐‘ ๐‘–๐‘›(2๐‘›)
๐‘›→∞
∴ ๐‘™๐‘–๐‘š
๐‘ ๐‘–๐‘›(2๐‘›)
๐‘›→∞
9.
1 + √๐‘›
๐‘›→∞ 1
1
+ √๐‘›
≤0
=0
(converges)
๐‘Ž๐‘› = ๐‘™๐‘›
2๐‘›2 + 1
1
=
๐‘™๐‘›
2
−
(
)
๐‘›2 + 1
๐‘›2 + 1
๐‘™๐‘–๐‘š ๐‘™๐‘› (2 −
๐‘›→∞
10.
1 + √๐‘›
≤ ๐‘™๐‘–๐‘š
1
) = ๐‘™๐‘›(2)
๐‘›2 + 1
(converges)
โˆต 0 ≤ ๐‘๐‘œ๐‘  2 ๐‘› ≤ 1๐‘Ž๐‘›๐‘‘2๐‘› > 0
๐‘๐‘œ๐‘  2 ๐‘›
1
∴ 0 ≤ ๐‘™๐‘–๐‘š
≤ ๐‘™๐‘–๐‘š ๐‘›
๐‘›
๐‘›→∞ 2
๐‘›→∞ 2
๐‘๐‘œ๐‘  2 ๐‘›
≤0
๐‘›→∞ 2๐‘›
∴ 0 ≤ ๐‘™๐‘–๐‘š
๐‘๐‘œ๐‘  2 ๐‘›
=0
๐‘›→∞ 2๐‘›
∴ ๐‘™๐‘–๐‘š
Find the sum of the following series:
11.
๐ด๐‘๐‘๐‘œ๐‘Ÿ๐‘‘๐‘–๐‘›๐‘” ๐‘ก๐‘œ ๐‘”๐‘’๐‘œ๐‘š๐‘’๐‘ก๐‘Ÿ๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘’๐‘Ÿ๐‘–๐‘’๐‘ ,
๐‘กโ„Ž๐‘’ ๐‘“๐‘–๐‘Ÿ๐‘ ๐‘ก ๐‘ก๐‘’๐‘Ÿ๐‘š ๐‘–๐‘  1; ๐‘กโ„Ž๐‘’ ๐‘๐‘œ๐‘š๐‘š๐‘œ๐‘› ๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘ก๐‘–๐‘œ ๐‘–๐‘ 
1
4
∞
1 ๐‘˜
1
4
∑( ) =
=
1
4
1−4 3
๐‘˜=0
12.
∞
=∑
๐‘›=2
2
(๐‘› − 1)(๐‘› + 1)
๐‘
1
1
1 1
1
๐‘ ๐‘’๐‘ก ๐‘†๐‘ = ∑ (
−
) =1+ − −
๐‘›−1 ๐‘›+1
2 ๐‘ ๐‘+1
๐‘›=2
1 1
1
3
๐‘™๐‘–๐‘š ๐‘†๐‘ = ๐‘™๐‘–๐‘š {1 + − −
}=
๐‘→∞
2 ๐‘ ๐‘+1
2
๐‘→∞
13.
∞
=∑
๐‘˜=1
1
1
−
๐‘› ๐‘›+3
๐‘
1
1
1 1
1
1
1
๐‘†๐‘’๐‘ก ๐‘†๐‘ = ∑ ( −
) =1 + + −
−
−
๐‘› ๐‘›+3
2 3 ๐‘+1 ๐‘+2 ๐‘+3
๐‘›=1
1 1
1
1
1
11
๐‘™๐‘–๐‘š ๐‘†๐‘ = ๐‘™๐‘–๐‘š {1 + + −
−
−
}=
๐‘→∞
2 3 ๐‘+1 ๐‘+2 ๐‘+3
6
๐‘→∞
14. Find the values of x for which the series
converges. Find the sum of the series for those values of x.
๐ด๐‘๐‘๐‘œ๐‘Ÿ๐‘‘๐‘–๐‘›๐‘” ๐‘ก๐‘œ ๐‘กโ„Ž๐‘’ ๐‘”๐‘’๐‘œ๐‘š๐‘’๐‘ก๐‘Ÿ๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘’๐‘Ÿ๐‘–๐‘’๐‘ ,
๐‘๐‘œ๐‘›๐‘ฃ๐‘’๐‘Ÿ๐‘”๐‘’๐‘  ๐‘–๐‘“ ๐‘Ž๐‘›๐‘‘ ๐‘œ๐‘›๐‘™๐‘ฆ ๐‘–๐‘“ |
∴ −1 < ๐‘ฅ < 5
∞
∑(
๐‘›=0
๐‘ฅ−2 ๐‘›
๐‘“๐‘–๐‘Ÿ๐‘ ๐‘ก ๐‘ก๐‘’๐‘Ÿ๐‘š
1
3
) =
=
=
3
1 − ๐‘๐‘œ๐‘š๐‘š๐‘œ๐‘› ๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘ก๐‘–๐‘œ 1 − ๐‘ฅ − 2 5 − ๐‘ฅ
3
๐‘ฅ−2
|<1
3
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