Let be a positive integer, and
and have a common tangent at points and respectively.
Let be the area of the region bounded by the tangent line and and
Find .
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Let f ( x ) = x 2 n 1 and g ( x ) = − x 2 n
From the graph above R ( 0 , 0 ) ∘ R y = x ( x 0 , y 0 ) = ( − y 0 , − x 0 )
Using A : ( x 0 , y 0 ) and B : ( − y 0 , − x 0 ) ⟹ slope m A B = 1 ⟹
f ′ ( x 0 ) = 2 n 1 ( x 0 1 ) 2 n 2 n − 1 ⟹ x 0 = ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n ⟹ y 0 = ( 2 n 1 ) 2 n − 1 1 ⟹
A : ( ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n , ( 2 n 1 ) 2 n − 1 1 ) and B : ( − ( 2 n 1 ) 2 n − 1 1 , − ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n ) ⟹
y = x + ( 2 n − 1 ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n
Let j ( n ) = ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n ⟹ y = x + ( 2 n − 1 ) j ( n )
⟹ A 1 ( n ) = ∫ 0 j ( n ) ( x + ( 2 n − 1 ) j ( n ) − x 2 n 1 ) d x =
2 x 2 + ( 2 n − 1 ) j ( n ) x − 2 n + 1 2 n x 2 n 2 n + 1 ∣ 0 j ( n ) =
2 j ( n ) 2 + ( 2 n − 1 ) j ( n ) 2 − 2 n + 1 2 n j ( n ) 2 n 2 n + 1 ∣ 0 j ( n ) =
( 2 4 n − 1 ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 4 n − ( 2 n + 1 2 n ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n + 1 =
( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n + 1 ( ( 2 4 n − 1 ) ( 2 n 1 ) − 2 n + 1 2 n ) =
2 1 ( 2 n 1 ) 2 n − 1 4 n ( 2 n + 1 2 n − 1 )
and
A 2 ( n ) = ∫ − ( 2 n 1 ) 2 n − 1 1 0 ( x + ( 2 n − 1 ) j ( n ) + x 2 n ) d x =
2 x 2 + ( 2 n − 1 ) j ( n ) x + 2 n + 1 1 x 2 n + 1 ∣ − ( 2 n 1 ) 2 n − 1 1 0 =
− 2 1 ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 + ( 2 n − 1 ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n + 1 + ( 2 n + 1 1 ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 n + 1 =
( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 ( − 2 1 + ( 2 n − 1 ) ( 2 n 1 ) + ( 2 n + 1 1 ) ( 2 n 1 ) ) =
2 1 ( 2 n 1 ) 2 n − 1 2 ( 2 n + 1 2 n − 1 )
⟹ A ( n ) = A 1 ( n ) + A 2 ( n ) = 2 ( 2 n + 1 ) ( 4 n 2 + 1 ) ( 2 n − 1 ) ( 2 n 1 ) 2 n − 1 4 n = 2 ( 2 n + 1 ) ( 4 n 2 + 1 ) ( 2 n − 1 ) ( 4 n 2 1 ) 2 n − 1 2 n
lim n → ∞ A ( n ) = 2 1 lim n → ∞ 2 n + 1 2 n − 1 ∗ lim n → ∞ ( 4 n 2 ) ( 4 n 2 ) 2 n − 1 1 4 n 2 + 1 =
2 1 lim n → ∞ ( 1 + 4 n 2 1 ) ∗ lim n → ∞ ( 4 n 2 1 ) 2 n − 1 1 = 2 1 lim n → ∞ ( 4 n 2 1 ) 2 n − 1 1
and
lim n → ∞ ( 4 n 2 1 ) 2 n − 1 1 = lim n → ∞ e ( 2 n − 1 ln ( 4 n 2 1 ) ) =
e lim n → ∞ ( 2 n − 1 ln ( 4 n 2 1 ) ) = e lim n → ∞ ( − n 1 ) = e 0 = 1
⟹ n → ∞ lim A ( n ) = 2 1