Questions mathématiques diverses

Question 28:
Déterminer la limite suivante :
$\lim\limits_{n \to +\infty}\left({\sin \dfrac{n}{n^2+1^2}+\sin \dfrac{n}{n^2+2^2}+...+\sin \dfrac{n}{n^2+n^2}}\right)$
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Déterminer la limite suivante :
$\lim\limits_{n \to +\infty}\left({\sin \dfrac{n}{n^2+1^2}+\sin \dfrac{n}{n^2+2^2}+...+\sin \dfrac{n}{n^2+n^2}}\right)$
Réponse 28:
Pour tout réel $x\geqslant 0$, $x-\dfrac{x^3}{3!}\leqslant \sin x\leqslant x$
En remplaçant $x$ par $\dfrac{n}{n^2+k^2}$ et en faisant la somme membre à membre on obtient l'encadrement (🗝): $$\begin{align*} &\footnotesize{\sum\limits_{k=1}^{n}{\dfrac{n}{n^2+k^2}}-\dfrac{1}{3!}\sum\limits_{k=1}^{n}{\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)^3}\leqslant \sum\limits_{k=1}^{n}{\sin\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)}\leqslant \sum\limits_{k=1}^{n}{\dfrac{n}{n^2+k^2}}}\\ &🔸\lim\limits_{n \to +\infty}\sum\limits_{k=1}^{n}{\dfrac{n}{n^2+k^2}}=\lim\limits_{n \to +\infty}\dfrac{1}{n}\sum\limits_{k=1}^{n}{\dfrac{1}{1+\left({\frac{k}{n}}\right)^2}}\\ &=\int_{0}^{1}{\dfrac{1}{1+x^2}dx}=\left[{\arctan x}\right]_0^1=\dfrac{\pi}{4}\\ &🔸 En\;plus\\ &\sum\limits_{k=1}^{n}{\dfrac{n^3}{8n^6}}\leqslant \sum\limits_{k=1}^{n}{\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)^3}\leqslant \sum\limits_{k=1}^{n}{\left({\dfrac{n}{n^2+1}}\right)^3}\\ &\iff \dfrac{1}{8n^2}\leqslant \sum\limits_{k=1}^{n}\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)^3\leqslant \dfrac{1}{n^2\left({1+\frac{1}{n^2}}\right)^3}\\ &\text{et } \lim\limits_{n \to +\infty}\dfrac{1}{8n^2}=\lim\limits_{n \to +\infty}\dfrac{1}{n^2\left({1+\frac{1}{n^2}}\right)}=0\\ &Donc\; \lim\limits_{n \to +\infty}\sum\limits_{k=1}^{n}{\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)^3}=0 \end{align*}$$ En appliquant le théorème des gendarmes sur l'encadrement (🗝) on obtient : $\lim\limits_{n \to +\infty}\sum\limits_{k=1}^{n}{\sin\left({\dfrac{n}{n^2+k^2}}\right)}=\dfrac{\pi}{4}$

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