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and lim inf n

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Academic year: 2021

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Testo completo

(1)

Problem 12143

(American Mathematical Monthly, Vol.126, November 2019) Proposed by J. A. Scott (UK).

Compute

n→∞lim

n

X

k=1

 k n

k

.

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Solution. We show that the limit exists and it is equal to e e −1. Lower bound. Since

 k n

k

=



1 + n − k k

−k

≥e−(n−k)

then n

X

k=1

 k n

k

n

X

k=1

en−k=

n−1

X

j=1

e−j. and

lim inf

n→+∞

n

X

k=1

 k n

k

X

j=0

e−j= e

e −1. (1)

Upper bound. Let t ∈ (0, 1). Then we split the given sum as

n

X

k=1

 k n

k

= X

1≤k≤tn

 k n

k

+ X

tn<k<n−n1/3

 k n

k

+ X

n−n1/3≤k≤n

 k n

k

It follows that

X

1≤k≤tn

 k n

k

≤ X

1≤k≤tn

tk

X

k=1

tk = t 1 − t. Moreover

X

tn<k<n−n1/3

 k n

k

≤ X

t<k/n<1−1/n2/3

 k n

tn

≤n

Z 1−1/n2/3 0

xtndx= n tn+ 1

 1 − 1

n2/3

tn+1

and X

n−n1/3≤k≤n

 k n

k

= X

0≤j≤n1/3

 1 − j

n

n−j

= X

0≤j≤n1/3

exp



(n − j) ln

 1 − j

n



≤ X

0≤j≤n1/3

exp

 (n − j)



−j n



= X

0≤j≤n1/3

e−j·ej2/n≤e1/n1/3

n−1

X

j=0

e−j.

Therefore

n

X

k=1

 k n

k

≤ t

1 − t+ n tn+ 1

 1 − 1

n2/3

tn+1

+ e1/n1/3

n−1

X

j=0

e−j and

lim sup

n→+∞

n

X

k=1

 k n

k

≤ t

1 − t+ 0 + e e −1. By letting t → 0+, we find

lim sup

n→+∞

n

X

k=1

 k n

k

≤ e

e −1. (2)

Finally, by (1) and (2), we may conclude that our initial claim holds. 

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