Evalúe $\lim_{n\rightarrow \infty}4\sqrt{n}\sin (\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})$

Question

Evaluar el límite

$$\lim_{n\rightarrow \infty}4\sqrt{n}\sin (\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})$$

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Sabemos que :

$$\sin (\pi-x)=\sin x$$

Así que tenemos :

$$\lim_{n\rightarrow \infty}4\sqrt{n}\sin (\pi-\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})$$

Ahora :

$$(\pi-\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})\cdot \frac{\pi+\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}}{\pi+\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}}=\frac{\pi^2-\pi^2(4n^2+\sqrt{n})}{\pi+\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}}$$

$$\lim_{n\rightarrow \infty}4\sqrt{n}\sin \left(\frac{\pi^2-\pi^2(4n^2+\sqrt{n})}{\pi+\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}}\right)$$

¿Y ahora qué?

Answer 1

Creo que lo siguiente es mejor. $$\lim_{n\rightarrow+\infty}4\sqrt{n}\sin (\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})=-\lim_{n\rightarrow+\infty}4\sqrt{n}\sin \left(2\pi n-\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}\right)=$$ $$=\lim_{n\rightarrow+\infty}4\sqrt{n}\sin\frac{\pi\sqrt{n}}{2 n+\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}}=\lim_{n\rightarrow+\infty}4\sqrt{n}\sin\frac{\pi}{\sqrt{n}\left(2 +\sqrt{4+\frac{1}{n\sqrt{n}}}\right)}=$$ $$=\lim_{n\rightarrow+\infty}\left(\frac{\sin\frac{\pi}{\sqrt{n}\left(2 +\sqrt{4+\frac{1}{n\sqrt{n}}}\right)}}{\frac{\pi}{\sqrt{n}\left(2 +\sqrt{4+\frac{1}{n\sqrt{n}}}\right)}}\cdot\frac{4\pi}{2 +\sqrt{4+\frac{1}{n\sqrt{n}}}}\right)=\pi.$$

Answer 2

Lo que también podría hacer es, para grandes $n$ por Taylor o expansión binomial $$\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}=2n+\frac1 {4 \sqrt n}+O\left( \frac1 {n^2}\right)$$ en $$\sin (\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})\sim\sin\left( \frac \pi {4 \sqrt n}\right)\sim \frac \pi {4 \sqrt n}$$

Editar

Sólo añadido para su curiosidad.

Si forzamos la expansión, podemos obtener "buenas" estimaciones para valores pequeños de $n$ .

Utilizar ahora $$\sqrt{4n^2+\sqrt{n}}=2n+\frac1 {4 \sqrt n}-\frac{1}{64 n^2}+O\left( \frac1 {n^{7/2}}\right)$$ deberíamos conseguir $$4\sqrt n\,\sin (\pi\sqrt{4n^2+\sqrt{n}})=\pi -\frac {\pi^3}{96n} +O\left( \frac1 {n^{3/2}}\right)$$ y, a continuación, los siguientes valores para small $n$ $$\left( \begin{array}{ccc} n & \text{exact} & \text{approximation} & \Delta \\ 1 & 2.70196 & 2.81861 & -0.116649 \\ 2 & 2.92585 & 2.98010 & -0.054248 \\ 3 & 3.00182 & 3.03393 & -0.032117 \\ 4 & 3.03913 & 3.06085 & -0.021722 \\ 5 & 3.06108 & 3.07700 & -0.015917 \\ 6 & 3.07546 & 3.08776 & -0.012299 \\ 7 & 3.08558 & 3.09545 & -0.009869 \\ 8 & 3.09308 & 3.10122 & -0.008145 \\ 9 & 3.09884 & 3.10571 & -0.006870 \\ 10 & 3.10340 & 3.10929 & -0.005896 \end{array} \right)$$