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Evaluate n→∞lim n ln(n) Z 1 0 xnf (xn) ln(1 − x) dx

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Academic year: 2021

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Problem 12207

(American Mathematical Monthly, Vol.127, October 2020) Proposed by O. Furdui and A. Sintamarian (Romania).

Letf : [0, 1] → R be a continuous function satisfyingR1

0 f (x) dx = 1. Evaluate

n→∞lim n ln(n)

Z 1 0

xnf (xn) ln(1 − x) dx.

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

Solution. Let t = xn, then x = t1/n, dx = t1/n−1dt/n and n

ln(n) Z 1

0

xnf (xn) ln(1 − x) dx = − Z 1

0

f (t)un(t) dt where

un(t) = −t1/nln(1 − t1/n) ln(n) . For all t ∈ (0, 1),

n→∞lim un(t) = − lim

n→∞

ln(1 − eln(t)/n)

ln(n) = − lim

n→∞

ln(− ln(t)/n)

ln(n) = − lim

n→∞

ln(− ln(t)) − ln(n)

ln(n) = 1.

Moreover, for n ≥ 3,

0 ≤ un(t) ≤ −ln(1 − t1/n)

ln(n) ≤ −ln((1 − t)/n)

ln(n) ≤ −ln(1 − t) + 1 andR1

0(− ln(1 − t) + 1) dt = 2.

Therefore, by the Dominated Convergence Theorem,

n→∞lim n ln(n)

Z 1 0

xnf (xn) ln(1 − x) dx = − lim

n→∞

Z 1 0

f (t)un(t) dt = − Z 1

0

f (t) dt = −1.



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