Problemă rezolvată #33 – ONGM 2020-2021

Problemă rezolvată dintre subiectele date la clasa a XII-a la ONGM 2020-2021, București.

Enunț

Fie a_n = \int _0^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{sin^n x}{sin^nx +cos^n x} dx, \ n \in \N și l = \lim_{n\to \infty}a_n \ atunci:\\[1em] A. \ l = 0 \quad B. \ l = \dfrac{\pi}{2} \quad C.\ l = \dfrac{\pi}{4} \\[2em] D.\ a = \dfrac{\pi}{3} \quad \ E. \ l = \pi

Rezolvare

Știm că:

ctg(x)=\dfrac{cos(x)}{sin(x)}\\[1em]

Atunci an devine :

a_n =\int_0^{\frac{\pi}{2}}\dfrac{sin^n x}{sin^nx +cos^n x} dx = \\[2em] \\= \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 }{\dfrac{sin^nx +cos^n x}{sin^n x}} dx} = \\[2em] \\=
\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 }{\dfrac{sin^nx}{sin^n x} + \dfrac{cos^n x}{sin^n x} } dx}  = \\[2em] \\= \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 }{1 + ctg^n x}} dx

Știm că:

ctg(x)=tg(\dfrac{\pi}{2}-x)

Atunci an devine :

a_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}} {\dfrac{1 }{1 + tg^n (\dfrac{\pi}{2}-x)}}dx

Știm că:

\int_{0}^{a}f(x)dx = \int_{0}^{a}f(a-x)dx

Atunci an devine :

a_n =\int_0^{\frac{\pi}{2}} {\dfrac{1 }{1 + tg^n x}}dx \implies \\[2em]\implies a_n= \int_0^{\frac{\pi}{2}} {\dfrac{1 }{1 + \dfrac{1 }{ctg^n x}}}dx\implies \\[2em]\implies a_n= \int_0^{\frac{\pi}{2}} {\dfrac{ctg^n x }{1 + ctg^n x}}dx 

Dar după cum am arătat mai devreme an este:

a_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 }{1 + ctg^n x}}dx

Adunând ultimele două relații obținem:

2 \cdot a_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 }{1 + ctg^n x}}dx + \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\dfrac{ctg^n x }{1 + ctg^n x}}dx  \implies \\[2em] \implies   

2 \cdot a_n = \displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} \bigg(  \dfrac{1 }{1 + ctg^n x} + \dfrac{ctg^n x }{1 + ctg^n x} \bigg)dx \implies \\[2em] \implies

 2 \cdot a_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}  \dfrac{\cancel{1 + ctg^n x}} {\cancel{1 + ctg^n x}} dx   \implies \\[2em] \implies  

2 \cdot a_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}dx \ \ \implies  \\[2em] \implies   2 \cdot a_n = x\bigg |_0^\frac{\pi}{2}	 \implies 2\cdot a_n = \dfrac{\pi}{2} \implies \\[2em] \implies a_n = \dfrac{\pi}{4}  \implies     \lim_{n\to \infty}a_n = \dfrac{\pi}{4}

Răspunsul corect este \textbf{C}, \dfrac{\pi}{4}

Pe aceeași temă