Question Number 215458 by depressiveshrek last updated on 07/Jan/25
$$\mathrm{Evaluate}\:\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\:{n}^{\mathrm{2}} \:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {x}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\left(\pi{x}\right){dx} \\ $$
Answered by MathematicalUser2357 last updated on 11/Jan/25
$$\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}{n}^{\mathrm{2}} \int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {x}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\pi{xdx}=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {n}^{\mathrm{2}} {x}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\pi{xdx}=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\left[{n}^{\mathrm{2}} \int{x}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\pi{xdx}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|}{{D}}&\hline{{I}}\\{{x}^{{n}+\mathrm{1}} =\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{x}^{{n}+\mathrm{1}} }&\hline{\mathrm{sin}\:\pi{x}}\\{\left({n}+\mathrm{1}\right){x}^{{n}} =\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{{n}!}{x}^{{n}} }&\hline{−\frac{\mathrm{1}}{\pi}\mathrm{cos}\:\pi{x}}\\{\left({n}+\mathrm{1}\right){nx}^{{n}−\mathrm{1}} =\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{\left({n}−\mathrm{1}\right)!}{x}^{{n}−\mathrm{1}} }&\hline{−\frac{\mathrm{1}}{\pi^{\mathrm{2}} }\mathrm{sin}\:\pi{x}}\\{\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{\left({n}−\mathrm{2}\right)!}{x}^{{n}−\mathrm{2}} }&\hline{\frac{\mathrm{1}}{\pi^{\mathrm{3}} }\mathrm{cos}\:\pi{x}}\\{…}&\hline{\frac{\mathrm{1}}{\pi^{\mathrm{4}} }\mathrm{sin}\:\pi{x}}\\\hline\end{array} \\ $$$$=\underset{{n}\rightarrow\infty} {\mathrm{lim}}\left[\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}{n}^{\mathrm{2}} \left(−\mathrm{1}\right)^{{k}+\mathrm{1}} \left\{\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{\pi^{\mathrm{2}{k}+\mathrm{1}} \left({n}+\mathrm{1}−\mathrm{2}{k}\right)!}{x}^{{n}+\mathrm{1}−\mathrm{2}{k}} \mathrm{cos}\:\pi{x}−\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}{\pi^{\mathrm{2}{k}+\mathrm{2}} \left({n}−\mathrm{2}{k}\right)!}{x}^{{n}−\mathrm{2}{k}} \mathrm{sin}\:\pi{x}\right\}\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \\ $$$$=\mathrm{0} \\ $$