Exams Joint Entrance Examination Mathematics Definite Integration Question 114 Question 114 of 246 Medium NUMERICAL
Let f ( x ) = x ( 1 + x n ) 1 n , x ∈ R − − 1 , n ∈ N , n > 2 f(x)=\frac{x}{{(1+{x}^{n})}^{\frac{1}{n}}},x\in R-{-1},n\in N,n>2 f ( x ) = ( 1 + x n ) n 1 x , x ∈ R − − 1 , n ∈ N , n > 2 .
If f n ( x ) = ( f ∘ f ∘ f … . {f}^{n}(x)=(f\circ f\circ f\ldots . f n ( x ) = ( f ∘ f ∘ f … . . upto n n n times) ( x ) (x) ( x ) , then
l i m n → ∞ ∫ 0 1 x n − 2 ( f n ( x ) ) d x \underset{n\to \infty}{lim}\int _{0}^{1}{x}^{n-2}({f}^{n}(x))dx n → ∞ l im ∫ 0 1 x n − 2 ( f n ( x )) d x is equal to \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_.
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f ( x ) = x ( 1 + x n ) 1 / n ∴ f ( f ( x ) ) = f ( x ) ( 1 + [ f ( x ) n ] 1 / n = x ( 1 + x n ) 1 / n ( 1 + x n 1 + x n ) 1 / n = x ( 1 + 2 x n ) 1 / n f ( f ( f ( x ) ) ) = x ( 1 + 3 x n ) 1 / n f n ( x ) = x ( 1 + n x n ) 1 / n \begin{gathered} f(x)=\frac{x}{{(1+{x}^{n})}^{1/n}} \\ \therefore f(f(x))=\frac{f(x)}{(1+{[f(x{)}^{n}]}^{1/n}} \\ =\frac{\frac{x}{{(1+{x}^{n})}^{1/n}}}{{(1+\frac{{x}^{n}}{1+{x}^{n}})}^{1/n}} \\ =\frac{x}{{(1+2{x}^{n})}^{1/n}} \\ f(f(f(x)))=\frac{x}{{(1+3{x}^{n})}^{1/n}} \\ {f}^{n}(x)=\frac{x}{{(1+n{x}^{n})}^{1/n}} \end{gathered} f ( x ) = ( 1 + x n ) 1/ n x ∴ f ( f ( x )) = ( 1 + [ f ( x ) n ] 1/ n f ( x ) = ( 1 + 1 + x n x n ) 1/ n ( 1 + x n ) 1/ n x = ( 1 + 2 x n ) 1/ n x f ( f ( f ( x ))) = ( 1 + 3 x n ) 1/ n x f n ( x ) = ( 1 + n x n ) 1/ n x
Now, l i m n → ∞ ∫ 1 0 x n − 2 ( f n ( x ) ) d x \underset{n\to \infty}{lim}{\int }_{1}^{0}{x}^{n-2}({f}^{n}(x))dx n → ∞ l im ∫ 1 0 x n − 2 ( f n ( x )) d x
= l i m n → ∞ ∫ 0 1 x n − 2 x ( 1 + n x n ) 1 / n d x = l i m n → ∞ ∫ 0 1 x n − 1 ( 1 + n x n ) 1 / n d x \begin{gathered} =\underset{n\to \infty}{lim}\int _{0}^{1}{x}^{n-2}\frac{x}{{(1+n{x}^{n})}^{1/n}}dx \\ =\underset{n\to \infty}{lim}\int _{0}^{1}\frac{{x}^{n-1}}{{(1+n{x}^{n})}^{1/n}}dx \end{gathered} = n → ∞ l im ∫ 0 1 x n − 2 ( 1 + n x n ) 1/ n x d x = n → ∞ l im ∫ 0 1 ( 1 + n x n ) 1/ n x n − 1 d x
Let 1 + n x n = t 1+n{x}^{n}=t 1 + n x n = t
⇒ n 2 x n − 1 d x = d t \Rightarrow {n}^{2}{x}^{n-1}dx=dt ⇒ n 2 x n − 1 d x = d t
When, x = 0 x=0 x = 0 , then t = 1 t=1 t = 1
When, x = 1 x=1 x = 1 , then t = 1 + n t=1+n t = 1 + n
= l i m n → ∞ ∫ 1 + n 1 d t n 2 ( t ) 1 / n = l i m n → ∞ 1 n 2 ∫ 1 + n 1 d t ( t ) 1 / n = l i m n → ∞ 1 n 2 ( t 1 − 1 n 1 − 1 n ) 1 + n 1 = l i m n → ∞ 1 n ( n − 1 ) [ ( 1 + n ) 1 − 1 n − 1 ] \begin{gathered} =\underset{n\to \infty}{lim}{\int }_{1+n}^{1}\frac{dt}{{n}^{2}(t{)}^{1/n}}=\underset{n\to \infty}{lim}\frac{1}{{n}^{2}}{\int }_{1+n}^{1}\frac{dt}{(t{)}^{1/n}} \\ =\underset{n\to \infty}{lim}\frac{1}{{n}^{2}}{(\frac{{t}^{1-\frac{1}{n}}}{1-\frac{1}{n}})}_{1+n}^{1} \\ =\underset{n\to \infty}{lim}\frac{1}{n(n-1)}[(1+n{)}^{1-\frac{1}{n}}-1] \end{gathered} = n → ∞ l im ∫ 1 + n 1 n 2 ( t ) 1/ n d t = n → ∞ l im n 2 1 ∫ 1 + n 1 ( t ) 1/ n d t = n → ∞ l im n 2 1 ( 1 − n 1 t 1 − n 1 ) 1 + n 1 = n → ∞ l im n ( n − 1 ) 1 [( 1 + n ) 1 − n 1 − 1 ]
Put n = 1 h n=\frac{1}{h} n = h 1
When, n → ∞ n\to \infty n → ∞ , then h → 0 h\to 0 h → 0
= l i m h → ∞ 1 1 h ( 1 h − 1 ) [ ( 1 + 1 h ) 1 − h − 1 ] = l i m h → ∞ 1 1 h ( 1 h − 1 ) [ 1 − ( 1 − h ) ( 1 + 1 h ) + … − 1 ] = l i m h → 0 h 2 1 − h [ − ( 1 − h ) ( 1 + 1 h ) + … ] = l i m h → 0 − h [ h + 1 + … . . ] = 0 \begin{gathered} =\underset{h\to \infty}{lim}\frac{1}{\frac{1}{h}(\frac{1}{h}-1)}[{(1+\frac{1}{h})}^{1-h}-1] \\ =\underset{h\to \infty}{lim}\frac{1}{\frac{1}{h}(\frac{1}{h}-1)}[1-(1-h)(1+\frac{1}{h})+\ldots -1] \\ =\underset{h\to 0}{lim}\frac{{h}^{2}}{1-h}[-(1-h)(1+\frac{1}{h})+\ldots ] \\ =\underset{h\to 0}{lim}-h[h+1+\ldots ..]=0 \end{gathered} = h → ∞ l im h 1 ( h 1 − 1 ) 1 [ ( 1 + h 1 ) 1 − h − 1 ] = h → ∞ l im h 1 ( h 1 − 1 ) 1 [ 1 − ( 1 − h ) ( 1 + h 1 ) + … − 1 ] = h → 0 l im 1 − h h 2 [ − ( 1 − h ) ( 1 + h 1 ) + … ] = h → 0 l im − h [ h + 1 + … .. ] = 0 Answer the question to unlock