Sequencias e series calculo

5.035 visualizações

Publicada em

Sequencias e séries numéricas

Publicada em: Educação
0 comentários
2 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
5.035
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
6
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
129
Comentários
0
Gostaram
2
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Sequencias e series calculo

  1. 1. Capítulo 5 SEQUÊNCIAS E SÉRIES Objetivos (ao nal do capítulo espera-se que o aluno seja capaz de): 1. Reconhecer uma sequência e vericar: (a) se é convergente ou divergente; (b) se é crescente ou decrescente; (c) propriedades de uma sequência. 2. Denir séries numéricas de termos positivos; 3. Encontrar a soma de séries; 4. Identicar as séries especiais: geométrica, harmônica, série-p; 5. Vericar se a série é convergente ou divergente, aplicando os critérios de convergência; 6. Analisar a convergência de séries alternadas e de sinais quaisquer; 7. Reconhecer séries absolutamente e condicionalmente convergentes; 8. Reconhecer séries de funções; 9. Encontrar o raio e o intervalo de convergência das séries de potências; 10. Desenvolver funções em séries de Taylor e Maclaurin; 11. Utilizar séries de funções na resolução de limites e integrais; 12. Resolver exercícios usando uma ferramenta tecnológica. A prova será composta por questões que possibilitam vericar se os objetivos foram atingidos. Portanto, esse é o roteiro para orientações de seus estudos. O modelo de formu- lação das questões é o modelo adotado na formulação dos exercícios e no desenvolvimento teórico desse capítulo, nessa apostila. 169
  2. 2. 5.1 Introdução Neste capítulo estudaremos séries innitas, as quais são somas que envolvem um número innitodetermos. Assériesinnitasdesempenhamumpapelfundamentaltantonamatemática quanto na ciência. Elas são usadas, por exemplo, para aproximar funções trigonométricas e logarítmicas, para resolver equações diferenciais, para efetuar integrais complicadas, para criar novas funções e para construir modelos matemáticos de leis físicas (Anton, 1999). 5.2 Sequências Na linguagem cotidiana, o termo sequência signica uma sucessão de coisas em uma ordem determinada ordem cronológica, de tamanho, ou lógica, por exemplo. Em matemática o termo sequência é usado comumente para denotar uma sucessão de números cuja ordem é determinada por uma lei ou função. Estudaremosumtipoespecialdefunçãodenidanosnúmerosnaturais N∗ = {1, 2, 3, 4, · · · } com imagem em R. Isto é, estudaremos a função f : N∗ → R quanto ao limite e suas pro- priedades quando n → ∞. A função f : N∗ → R denida por f(n) = n 2n+1 é um exemplo de sequência. O conjunto composto pelos pares ordenados (n, f(n)), dado por I = {(1, f(1)), (2, f(2)), (3, f(3)), · · · , (n, f(n)), · · · } ou I = (1, 1 3 ), (2, 2 5 ), (3, 3 7 ), · · · , (n, n 2n + 1 ), · · · é denominado conjunto dos termos da sequência f(n). Geralmente, o conjunto I é escrito de forma simplicada. Isto é, I é representado pelas imagens de n ∈ N∗ de forma que a posição que determinada imagem de f ocupa no conjunto dos termos da sequência f(n) é determinada pelo elemento n ∈ N∗ , ou seja, I = {f(1), f(2), f(3), · · · , f(n), · · · } = 1 3 , 2 5 , 3 7 , 4 9 , 5 11 , · · · , n 2n + 1 , · · · . Podemos observar que o termo 5 11 é imagem de n = 5, pois ocupa a quinta posição no conjunto dos termos. O termo f(n) = n 2n+1 é denominado termo geral da sequência. A forma usual de representar o termo geral de uma sequência é un = n 2n+1 ou xn = n 2n+1 ou yn = n 2n+1 etc. Passaremos agora à denição formal de sequência. Nesse caso, temos o conjunto I = {u1, u2, u3, · · · , un, · · · }. ,EFINIÇÃO 5.2.1 Sejam N∗ = {1, 2, 3, 4, · · · } o conjunto dos naturais, R a reta real. De- nominamos a aplicação un : N∗ → R de uma sequência numérica. -XEMPLO 5.2.2 Para melhor compreensão, vamos supor que o crescimento diário de uma linhagem de suínos é dada em função do crescimento total pela sequência un = n n+13 onde n corresponde ao número de dias de vida do suíno e lim n→∞ un o tamanho de um suíno adulto. Assim, o conjunto 1 14 , 2 15 , 3 16 , 4 17 , 5 18 , · · · , n n+13 , · · · representa o tamanho diário do suíno em relação ao tamanho nal. Gracamente podemos observar a curva de crescimento, cujo limite é representado pela assíntota y = 1 (Figura 5.1). 170
  3. 3. Figura 5.1: Crescimento da linhagem de suínos Como podemos observar a assíntota y = 1 representa o limite de crescimento do suíno. Isso signica que podemos levantar questões como por exemplo, qual o número mínimo de dias que o suíno deve car em tratamento para atingir, pelo menos, 80% de seu tamanho nal? No Figura 5.2 podemos observar uma estimativa em torno de 50 dias. Figura 5.2: Estimativa para obter 80 por cento do tamanho nal A questão agora é: como fazer uma estimativa em termos matemáticos? A resposta será dada pela denição de limite de uma sequência. 5.2.3 Limite de uma Sequência DEFINIÇÃO 5.2.4 Seja un uma sequência, dizemos que o número a é limite de un quando n tende para o innito se, dado ε 0 podemos encontrar K 0 tal que para todo n K vale a desigualdade |un − a| ε. -XEMPLO 5.2.5 Dada a sequência un : N∗ → R denida no Exemplo 5.2.2 por un = n n+13 , vamos mostrar que lim un = 1. Solução: Devemos mostrar que, dado ε 0 podemos encontrar K 0 tal que para todo n K vale a desigualdade |un − a| ε. Agora, |un − 1| = n n + 13 − 1 = n − n − 13 n + 13 = 13 n + 13 ε. 171
  4. 4. De modo que podemos escrever 13 n + 13 ε ⇒ 13 nε + 13ε ⇒ 13 − 13ε ε n. Consequentemente, podemos tomar K = 13−13ε ε e a Denição 5.2.4 estará satisfeita. Comparando os dados do Exemplo 5.2.2 com a Denição 5.2.4 concluímos que ε = 0, 2 representa a diferença entre o crescimento almejado e o crescimento total dos suínos. Por outro lado, K é o número mínimo de dias que os suínos devem permanecer em tratamento para atingir, pelo menos, 80% de seu crescimento total. EXEMPLO 5.2.6 Determine o número mínimo de dias que um lote de suínos, cujo crescimento é dado pela sequência un = n n+13 deve permanecer em tratamento para atingir, respectiva- mente, 80%, 90% e 95% do seu tamanho nal. Solução: No Exemplo 5.2.5 concluímos que dado ε 0 podemos tomar K = 13−13ε ε . Como para 80%, 90% e 95% do tamanho nal os valores de ε são respectivamente 0.2, 0.1 e 0.05 temos, respectivamente, o número mínimo de dias é dado por (a) K = 13 − 13ε ε = 13 − 13 · 0, 2 0, 2 = 52 dias (b) K = 13 − 13ε ε = 13 − 13 · 0, 1 0, 1 = 117 dias (c) K = 13 − 13ε ε = 13 − 13 · 0, 05 0, 05 = 247 dias Outra conclusão que podemos tirar é que, a partir de um determinado tempo, a variação do crescimento é muito pequena em relação à quantidade de ração que o suíno consome. Portanto, o produtor deve estimar o tempo mínimo de tratamento em dias para obter o máximo de lucro. 5.2.7 Sequências Convergentes DEFINIÇÃO 5.2.8 Seja un uma sequência. Dizemos que un é convergente se, e somente se, lim n→∞ un = L para algum L ∈ R. Se un não for convergente, diremos que un é divergente. EXEMPLO 5.2.9 A sequência un = 2n+3 3n+5 é convergente, pois lim n→∞ un = lim n→∞ 2n+3 3n+5 = 2 3 . EXEMPLO 5.2.10 Determine se a sequência un = 1 4 n2 − 1 converge ou diverge. Solução: A sequência dada é tal que lim n→∞ un = lim n→∞ 1 4 n2 − 1 = ∞. Como o limite de un não existe, a sequência diverge. TEOREMA 5.2.11 Seja un : N∗ → R uma sequência em R tal que lim n→∞ un existe, então este limite é único. DEMONSTRAÇÃO: Suponhamos que un : N∗ → R é uma sequência em R tal que lim n→∞ un existe e suponhamos que a e b, com a = b, são limites dessa sequência. Então dado ε 0 podemos encontrar K1 0 e K2 0 tal que para todo n K1 tenhamos |un − a| ε 2 e para todo n K2 tenhamos |un − b| ε 2 . Agora seja K = max{K1, K2}. Então podemos escrever, para todo n K 172
  5. 5. |a − b| = |a − un + un − b| = |−(un − a) − (un − b)| ≤ |un − a| + |un − b| ε 2 + ε 2 = ε. Como a e b são constantes, teremos |a − b| ε para todo ε 0 se, e somente se |a − b| = 0, isto é, se a = b. Logo, o limite de un, se existe, é único. 5.3 Subsequências ,EFINIÇÃO 5.3.1 Seja un : N∗ → R uma sequência. Seja N = {n1 n2 n3 · · · nk · · · } um subconjunto innito de N∗ , então unk = un N : N∗ → R é dita uma subse- quência de un. EXEMPLO 5.3.2 Seja un : N∗ → R uma sequência dada por un = 1 n2 . Seja N = {1, 3, 5, 7, · · · } ⊂ N∗ . Então a sequência unk : N → R é uma subsequência de un. Os termos da sequência são {1, 1 4 , 1 9 , 1 16 , 1 25 , 1 36 , 1 49 , · · · } e os termos da subsequência são {1, 1 9 , 1 25 , 1 49 , · · · }. 6EOREMA 5.3.3 Se uma sequência converge para L, então todas suas subsequências tam- bém convergem para L. DEMONSTRAÇÃO:Suponhamos que un : N∗ → R é uma sequência tal que lim n→∞ un = L. Assim, dado ε 0, existe K 0 tal que para todo n K é válida a desigualdade |un − L| ε. Agora, se unk : N → R é uma subsequência de un, onde N = {n1 n2 · · · nk · · · } é um conjunto innito, temos que, para cada ε 0, existe um k0 ∈ N∗ tal que nk0 K e então, para k k0 temos que nk nk0 K e assim |unk − L| ε, o que prova que unk também converge para L, como queríamos demonstrar. EXEMPLO 5.3.4 A sequência un = (−1)n é divergente, pois admite subsequências que con- vergem para valores diferentes, contrariando o teorema anterior. De fato, a subsequência de índices pares, dada por u2n = (−1)2n = 1 converge para L1 = 1, enquanto que sua subse- quência de índices ímpares, dada por un = (−1)2n+1 = −1 converge para L2 = −1. Como os limites das subsequências são diferentes, a sequência diverge. 5.4 Sequência Limitada ,EFINIÇÃO 5.4.1 Seja un : N∗ → R uma sequência em R. Dizemos que un é limitada se o conjunto {u1, u2, u3, · · · , un · · · } for limitado, ou seja, se existirem k1 e k2 ∈ R tais que k1 ≤ un ≤ k2 para todo n ∈ N∗ . 6EOREMA 5.4.2 Seja un : N∗ → R uma sequência convergente em R, então un é limitada. DEMONSTRAÇÃO: Suponhamos que un : N∗ → R é uma sequência convergente em R e suponhamos que a é limite dessa sequência. Então, dado ε = 1, podemos encontrar K 0, tal que para todo n K tenhamos |un − a| 1. Assim, para todo n K, temos un ∈ B(a, 1). Como o conjunto {u1, u2, u3, · · · , uK} é nito, logo admite um valor máximo, seja M = max u1, u2, · · · , uK, segue que {u1, u2, u3, · · · , un−1, un, · · · } ⊂ B(a, 1)∪B(0, M). Logo, un é limitada. OBSERVAÇÃO 5.4.3 A recíproca desse teorema não é verdadeira. Por exemplo, un = (−1)n é limitada, com −1 ≤ un ≤ 1, mas un não é convergente. 173
  6. 6. 5.5 Sequências Numéricas Monótonas Neste parágrafo analisaremos algumas propriedades das sequências em R. DEFINIÇÃO 5.5.1 Seja un uma sequência de valores reais. Dizemos que un é • não-decrescente se un+1 ≥ un para todo n ∈ N∗ ; • crescente se un+1 un para todo n ∈ N∗ ; • não-crescente se un ≥ un+1 para todo n ∈ N∗ ; • decrescente se un un+1 para todo n ∈ N∗ . DEFINIÇÃO 5.5.2 Seja un uma sequência de valores reais. Então un é denominada monó- tona se pertencer a um dos tipos descritos na Denição 5.5.1. EXEMPLO 5.5.3 Mostre que a sequência un = n+1 n2+2 é monótona. Solução: Devemos mostrar que un pertence a um dos tipos descritos na Denição 5.5.1. Temos que un = n+1 n2+2 e un+1 = (n+1)+1 (n+1)2+2 = n+2 n2+2n+3 . Vericaremos se un+1 ≤ un n + 2 n2 + 2n + 3 ≤ n + 1 n2 + 2 ⇔ (n2 + 2)(n + 2) ≤ (n + 1)(n2 + 2n + 3) ⇔ n3 + 2n2 + 2n + 4 ≤ n3 + 3n2 + 5n + 3 ⇔ 1 ≤ n2 + 3n. A última desigualdade é verdadeira para todo n. Logo, un = n+1 n2+2 é decrescente e, assim, monótona. DEFINIÇÃO 5.5.4 Sejam un uma sequência numérica, C e K dois números reais. Dizemos que C é limitante inferior de un se C ≤ un para todo n e que K é limitante superior de un se K ≥ un para todo n. EXEMPLO 5.5.5 Consideremos a sequência monótona decrescente un = n+1 n2+2 cujos termos são 2 3 , 3 6 , 4 11 , 5 18 , · · · e cujo limite é L = 0. Então, todo número real C ≤ 0 é limitante inferior de un e todo K ≥ 2 3 é limitante superior de un, pois un u1 = 2 3 . DEFINIÇÃO 5.5.6 Seja un uma sequência numérica que possui limitantes inferiores e supe- riores, então un é dita sequência limitada. OBSERVAÇÃO 5.5.7 Note que uma sequência, para ser limitada, não precisa ter limite. Por exemplo, un = (−1)n não tem limite, mas é limitada. 6EOREMA 5.5.8 Toda sequência monótona limitada em R é convergente. 6EOREMA 5.5.9 Sejam un e yn sequências numéricas em R tais que lim n→∞ un = a e lim n→∞ yn = b. Então são válidas as armações: (i) lim n→∞ c = c; 174
  7. 7. (ii) lim n→∞ cun = ca; (iii) lim n→∞ (un ± yn) = a ± b; (iv) lim n→∞ unyn = ab; (v) Se b = 0 e yn = 0 então lim n→∞ un yn = a b ; (vi) lim n→∞ c nk = 0, se k é uma constante positiva. 5.6 Séries Numéricas DEFINIÇÃO 5.6.1 Seja un : N∗ → R uma sequência numérica. Denominamos série innita à soma de todos os innitos termos dessa sequência, ou seja, uma série é uma expressão da forma ∞ n=1 un = u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · . A sequência un, cujos innitos termos são somados, é chamada de termo geral ou n−ésimo termo da série. Questões pertinentes no estudo de séries são: Como se determina o resultado de uma soma innita? Toda série possui uma soma nita? Passaremos a responder tais questões no desenvolvimento do restante deste capítulo. No entanto, estaremos muito mais preocupados com o fato de determinar se uma série innita possui ou não uma soma nita do que propriamente encontrar o valor desta soma. Começaremos com o conceito de somas parciais de uma série. DEFINIÇÃO 5.6.2 Seja ∞ n=1 un uma série. A soma dos primeiros k termos desta série, dada por Sk = k n=1 un = u1 + u2 + u3 + · · · + uk é denominada soma parcial da série dada. Note que as somas S1 = u1 S2 = u1 + u2 = S1 + u2 S3 = u1 + u2 + u3 = S2 + u3 · · · Sk = Sk−1 + uk formam uma sequência, chamada de sequência de somas parciais. Se esta sequência convergir, ou seja, se existir S tal que lim k→∞ Sk = S, dizemos que a série dada converge para S e denotaremos ∞ n=1 un = S. Se não existir tal S, diremos que a série diverge, signicando que não podemos obter um valor nito para a soma das innitas parcelas da série. Para melhor entendimento, vamos considerar e analisar um exemplo. 175
  8. 8. -XEMPLO 5.6.3 Durante o tempo que permanecer na universidade, um estudante da Udesc deverá receber uma mesada de seu pai, em unidades monetárias, que obdedece à sequência un = 20000 n(n + 1) , onde n corresponde ao número da parcela a ser recebida. Pergunta-se (i) Qual o montante que o estudante deverá receber até o nal da faculdade, supondo que ele conclua o curso em 60 meses? (ii) No caso do estudante permanecer na universidade indenidamente, como cará o mon- tante recebido? Solução: As parcelas mensais recebidas pelo estudante são dadas pela sequência que des- creve o valor da mesada, que são 10000, 10000 3 , 5000 3 , 1000, 2000 3 , 10000 21 , 2500 7 , · · · Para responder a primeira pergunta, vamos escrever o problema no formato de uma série innita, isto é, ∞ n=1 20000 n(n + 1) = 10000 + 10000 3 + 5000 3 + 1000 + 2000 3 + 10000 21 + 2500 7 + · · · Os primeiros termos das somas parciais desta série são dadas por S1 = u1 = 10000, S2 = S1 + u2 = 40000 3 , S3 = S2 + u3 = 15000, S4 = S3 + u4 = 16000 Agora, precisamos determinar uma expressão para o termo geral desta soma. Para isso, reescrevemos o termo geral da série usando decomposição em frações parciais, tomando 20000 n(n + 1) = A n + B n + 1 = A (n + 1) + Bn n(n + 1) = A + (A + B)n n(n + 1) e obtendo que A = 20000 A + B = 0 ⇒ A = 20000 e B = −20000. Desse modo a série dada pode ser reescrita como ∞ n=1 20000 n(n + 1) = ∞ n=1 20000 n − 20000 n + 1 e a soma dos seus k−primeiros termos é dada por Sk = 20000 − 20000 2 + 20000 2 − 20000 3 + · · · + 20000 k − 20000 k + 1 e como podemos simplicar alguns termos intermediários, obtemos que Sk = 20000 − 20000 k + 1 , 176
  9. 9. ou seja, Sk = 20000k k + 1 . O leitor poderá vericar que as somas parciais determinadas anteriormente correspondem às fornecidas por esta expressão. Como a solução para a questão (i) do exemplo corresponde à sexagésima soma, temos que S60 = 20000 · 60 61 = 19672. Desse modo, após 60 meses, o estudante terá recebido um montante de 19672 unidades monetárias. Passaremos agora a responder a segunda questão. Na Figura 5.3 podemos ver o compor- tamento para o crescimento da soma da série. Sk k Figura 5.3: Estimativa para o crescimento da série Portanto, se o estudante car indenidamente na universidade, observando o gráco, podemos armar que não receberia mais do que 20000 unidades monetárias. Isso signica que a soma da série tem limite 20000 quando a quantidade de parcelas tende para innito, ou seja, lim k→∞ Sk = lim k→∞ 20000k k + 1 = 20000. Em outras palavras, a série converge para 20000 e podemos escrever ∞ n=1 20000 n(n + 1) = 20000. Como vimos acima, a soma de uma série innita é obtida pelo limite da sua sequência de somas parciais. Assim, denimos o limite de uma série do mesmo modo com que foi denido o limite de uma sequência. 5.6.4 Soma de uma Série ,EFINIÇÃO 5.6.5 Seja ∞ n=1 un uma série cuja sequência de somas parciais é Sk. Dizemos que o número S é a soma da série, denotando S = ∞ n=1 un, se S for o limite de Sk quando k tender para o innito, ou seja, se dado ε 0 pudermos encontrar N0 0 tal que, para todo k N0 vale a desigualdade |Sk − S| ε. %%
  10. 10. -XEMPLO 5.6.6 Considere a série obtida no Exemplo 5.6.3, dada por ∞ n=1 20000 n(n + 1) . Mostre que ∞ n=1 20000 n(n + 1) = 20000. Solução: Como vimos acima, a sequência de somas parciais da série dada é Sk = 20000k k+1 . Devemos então mostrar que lim k→∞ 20000k k+1 = 20000, ou seja, que dado ε 0 podemos encontrar N0 0 tal que para, se k N0 então |Sk − 20000| ε. Como |Sk − 20000| = 20000k k + 1 − 20000 = 20000k − 20000k − 20000 k + 1 = −20000 k + 1 temos que a desigualdade desejada será válida se 20000 k + 1 ε ⇒ 20000 kε + ε ⇒ 20000 − ε ε k. Consequentemente, podemos tomar N0 = 20000 − ε ε e a Denição 5.6.1 estará satisfeita. Suponhamos que se deseja saber a partir de qual parcela a diferença entre o montante e o total a receber será menor do que 300 u.m.. Para obter a resposta tomamos ε = 300 e obteremos N0 = 20000 − 300 300 = 65, 667. Isso signica que em todas as parcelas, a partir da sexagésima sexta, a diferença entre o montante e o limite é menor do que 300 u.m.. Suponhamos que se deseja saber a partir de qual parcela a diferença entre o montante e o limite é menor do que 200 u.m.. Para obter a resposta tomamos ε = 200 e obteremos N0 = 20000 − 200 200 = 99. Isso signica que em todas as parcelas, a partir da parcela de número 99, a diferença entre o montante e o limite é menor do que 100 u.m.. 5.6.7 Séries Convergentes DEFINIÇÃO 5.6.8 Seja ∞ n=1 un uma série e seja Sk a soma parcial dos termos dessa série. Dizemos que ∞ n=1 un é convergente se lim k→∞ Sk existe. Caso contrário, dizemos que a série é divergente. -XEMPLO 5.6.9 A série ∞ n=1 20000 n(n+1) do Exemplo 5.6.3 é convergente pois lim k→∞ Sk = lim n→∞ 20000k k + 1 = 20000. -XEMPLO 5.6.10 Determine se a série ∞ n=1 2n 5n−1 é convergente ou divergente. Solução: Devemos vericar se a sequência de somas parciais desta série tem limite. Todas as séries que apresentam esse modelo (séries geométricas) podem ser resolvidas conforme o modelo que segue. (i) Escrevemos a soma dos k primeiros termos: Sk = 2 + 22 5 + 23 52 + 24 53 + · · · + 2k 5k−1 178
  11. 11. (ii) Multiplicamos Sk por 2 5 2 5 Sk = 22 5 + 23 52 + 24 53 + · · · + 2k 5k−1 + 2k+1 5k (iii) Tomamos a diferença entre os resultados de (i) e (ii), obtendo Sk − 2 5 Sk = 2 + 22 5 + 23 52 + · · · + 2k 5k−1 − 22 5 + 23 52 + · · · + 2k 5k−1 + 2k+1 5k ou seja, 3 5 Sk = 2 − 2k+1 5k ou ainda, Sk = 10 3 − 5 3 2k+1 5k = 10 3 − 10 3 2 5 k e como 2 5 1, temos que a S = lim k→∞ Sk = lim k→∞ 10 3 − 10 3 2 5 k = 10 3 . Consequentemente, a série ∞ n=1 2n 5n−1 converge para 10 3 . -XEMPLO 5.6.11 Encontre o termo geral da sequência de somas parciais da série ∞ n=1 −4 (2n + 3)(2n − 1) . A seguir, determine se a série converge ou diverge, obtendo o valor de sua soma, se possível. Solução: Note que ∞ n=1 −4 (2n + 3)(2n − 1) = 1 2n + 3 − 1 2n − 1 , assim temos que ∞ n=1 −4 (2n + 3)(2n − 1) = ∞ n=1 1 2n + 3 − 1 2n − 1 . Logo, a sequência das somas parciais é: Sk = k n=1 1 2n + 3 − 1 2n − 1 = 1 5 − 1 + 1 7 − 1 3 + 1 9 − 1 5 + 1 11 − 1 7 + · · · + + · · · + 1 2k − 1 − 1 2k − 5 + 1 2k + 1 − 1 2k − 3 + 1 2k + 3 − 1 2k − 1 = −1 − 1 3 + 1 2k + 1 + 1 2k + 3 Portanto, o termo geral da sequência de somas parciais da série dada é Sk = − 4 3 + 1 2k + 1 + 1 2k + 3 . 179
  12. 12. Por denição a série converge se lim k→∞ Sk existe e a soma da série é o valor do limite. Como lim k→∞ Sk = lim k→∞ − 4 3 + 1 2k + 1 + 1 2k + 3 = − 4 3 . A série dada converge e sua soma é S = −4 3 . Observações: 1. Uma das propriedades das séries innitas é que a convergência ou divergência não é afetada se subtrairmos ou adicionarmos um número nito de termos a elas. Por exemplo, se no Exemplo 5.6.3 o estudante só começasse a receber a primeira parcela após 5 meses, a série seria escrita com n = 6 no primeiro termo, ou seja, ∞ n=6 20000 n(n + 1) , e a soma seria S = 20000 − S5. Se por outro lado, o seu pai decidisse nos primeiros 10 meses dar uma mesada xa de 2000u.m. por mês e iniciar o pagamento com n = 1 no décimo primeiro mês, a soma seria S = 2000(10) + lim k→∞ 20000k k + 1 . Em ambos os casos a série continuará convergente. 2. Se a série ∞ n=1 un é convergente e a série ∞ n=1 yn é divergente, então a série ∞ n=1 (un + yn) é divergente. No entanto, se as séries ∞ n=1 un e ∞ n=1 yn são divergentes, a série ∞ n=1 (un + yn) pode ser convergente ou divergente. 3. Se ∞ n=1 un é uma série convergente de termos positivos, seus termos podem ser reagru- pados de qualquer modo e a série resultante também será convergente e terá a mesma soma que a série dada. 6EOREMA 5.6.12 Seja ∞ n=1 un uma série e α ∈ N∗ . Se a série ∞ n=α un = uα + uα+1 + uα+2 + · · · for convergente, então a série ∞ n=1 un = u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · também será convergente. DEMONSTRAÇÃO: Supondo que a série ∞ n=α un é convergente, temos que ela possui uma soma. Seja Sk−α o termo geral da sequência de suas somas parciais, tal que S = lim k→∞ Sk−α e seja Sα = u1 + u2 + u3 + · · · + uα. Desse modo, o termo geral da soma parcial da série ∞ n=1 un será Sk = Sα + Sk−α e, portanto, lim k→∞ Sk = lim k→∞ Sα + lim k→∞ Sk−α, donde segue que lim k→∞ Sk = Sα + S. Consequentemente, ∞ n=1 un é convergente. 180
  13. 13. Propriedades Sejam ∞ n=1 un = u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · e ∞ n=1 yn = y1 + y2 + y3 + · · · + yk + · · · duas séries que convergem para S e S , respectivamente, então são válidas as seguintes propriedades. (i) ∞ n=1 kun = k ∞ n=1 un para todo k ∈ R, ou seja, a série ∞ n=1 kun converge para kS. (ii) ∞ n=1 (un ± yn) = ∞ n=1 un ± ∞ n=1 yn, ou seja, a série ∞ n=1 (un ± yn) converge para S + S . 5.7 Condição necessária para Convergência Não existe uma regra geral para vericar se uma série é convergente ou não. Como veremos nos próximos itens, há critérios que dão respostas a tipos particulares de séries. Porém, vericando se uma série não possui a condição necessária para convergência, saberemos que ela não é convergente. Essa condição, é dada pelo teorema abaixo. 6EOREMA 5.7.1 Se ∞ n=1 un é uma série convergente, então lim n→∞ un = 0. DEMONSTRAÇÃO: Suponhamos que a série ∞ n=1 un converge para S, então podemos armar que lim k→∞ Sk = S, de modo que, pela Denição 5.6.8, dado ε 0 podemos encontrar N0 0 tal que para todo k N0 vale a desigualdade |Sk − S| ε 2 e |Sk−1 − S| ε 2 . Como Sk = Sk−1 + uk, temos que uk = Sk − Sk−1 e assim, |uk − 0| = |Sk − Sk−1 − 0| = |Sk − S + S − Sk−1| = |(Sk − S) + (S − Sk−1)| = |Sk − S| + |S − Sk−1| ≤ |Sk − S| + |Sk−1 − S| ε 2 + ε 2 = ε. Assim, pela Denição 5.2.4, segue que lim k→∞ uk = 0. Uma consequência muito importante desse teorema é o corolário a seguir. COROLÁRIO 5.7.2 Seja ∞ n=1 un uma série tal que lim n→∞ un = 0, então ∞ n=1 un é divergente. EXEMPLO 5.7.3 A série ∞ n=1 2n+2 3n+5 é divergente já que lim n→∞ un = lim n→∞ 2n+2 3n+5 = 2 3 = 0. 181
  14. 14. EXEMPLO 5.7.4 A série ∞ n=1 1 n é tal que lim n→∞ un = lim n→∞ 1 n = 0, isto é, possui a condição necessária para convergência. No entanto, não podemos, sem aplicar outros testes de con- vergência, armar se ela é convergente ou divergente. OBSERVAÇÃO 5.7.5 Portanto quem atentos, se o lim n→∞ un = 0 prova-se que a série é diver- gente. Mas, se lim n→∞ un = 0 a série pode convergir ou divergir, para isso necessitamos estudar critérios para fazer tal vericação. Veremos, na sequência, alguns resultados que permitem vericar se uma série é conver- gente ou divergente 5.8 Séries Especiais 5.8.1 Série harmônica DEFINIÇÃO 5.8.2 A série ∞ n=1 1 n é denominada série harmônica. A série harmônica é uma das séries mais importantes da matemática. Seu nome surge em conexão com os sons harmônicos produzidos pela vibração de uma corda musical. A série harmônica, embora possua a condição necessária para convergência, é uma série divergente. A divergência da série harmônica não é trivial. Sua lenta divergência se tornará evidente quando examinarmos suas somas parciais com maior detalhe. Na verdade, vamos mostrar que a sequência de somas parciais Sn da série harmônica não converge, pois admite subsequências divergentes. Para isso, vamos considerar as somas S2, S4, S8, S16, S32, · · · cujos índices são sempre potências de 2, formando a subsequência S2n de Sn. Temos que S21 = S2 = 1 + 1 2 1 2 + 1 2 = 2 2 S22 = S4 = S2 + 1 3 + 1 4 S2 + 1 4 + 1 4 = S2 + 1 2 3 2 S23 = S8 = S4 + 1 5 + 1 6 + 1 7 + 1 8 S4 + 1 8 + 1 8 + 1 8 + 1 8 = S4 + 1 2 4 2 S24 = S16 = S8 + 1 9 + 1 10 + 1 11 + 1 12 + 1 13 + 1 14 + 1 15 + 1 16 S8 + 1 16 + 1 16 + 1 16 + 1 16 + 1 16 + 1 16 + 1 16 + 1 16 = S8 + 1 2 5 2 e assim sucessivamente, de forma que podemos intuir que S2n n + 1 2 para todo n ∈ N∗ . Desta forma, temos que lim n→∞ S2n ≥ lim n→∞ n + 1 2 = ∞, o que nos diz que S2n é uma subsequência divergente de Sn. Com isso, temos que Sn também diverge, pois do contrário iríamos contrariar o Teorema 5.3.3. Como a sequência de somas parciais da série harmônica diverge, concluímos que a própria série harmônica diverge. Vejamos algumas somas parciais da série harmônica, obtidas com auxílio do MAPLE 6, que nos mostra a forma lenta com a qual a soma da série tende ao innito. S10 = 2, 9289 S100 = 5, 1873 S1000 = 7, 485 Sum milh˜ao = 14, 392 Sum bilh˜ao = 21, 300 Sum trlh˜ao = 28, 208. 182
  15. 15. 5.8.3 Série geométrica DEFINIÇÃO 5.8.4 Denominamos série geométrica à toda série da forma ∞ n=1 a1qn−1 , onde q é denominada razão. -XEMPLO 5.8.5 Encontre a soma da série geométrica e estude sua convergência. Solução: Consideremos a série geométrica ∞ n=1 a1qn−1 = a1 + a1q + aq2 + · · · + a1qn−1 + · · · e a soma dos seus n−primeiros termos, dada por Sn = a1 + a1q + aq2 + · · · + a1qn−1 . Multiplicando ambos os lados dessa igualdade pela razão q obtemos qSn = a1q + a1q2 + a1q3 + · · · + a1qn e tomando a diferença entre as duas últimas expressões, obtemos qSn − Sn = (a1q + a1q2 + a1q3 + · · · + a1qn ) − (a1 + a1q + aq2 + · · · + a1qn−1 ) , (q − 1)Sn = a1qn − a1 = a1(qn − 1), Sn = a1(qn − 1) (q − 1) . Para estudar a convergência dessa série devemos considerar três casos: (I) Se q = 1 então lim n→∞ Sn = lim n→∞ a1(qn − 1) (q − 1) = ∞ e a série é divergente. Se q = −1 então Sn tem dois valores para o limite e, portanto, a série é divergente. (II) Se |q| 1 então lim n→∞ Sn = lim n→∞ a1(qn − 1) (q − 1) = ∞ e a série é divergente. (III) Se |q| 1 então lim n→∞ Sn = lim n→∞ a1(qn − 1) (q − 1) = lim n→∞ a1qn q − 1 + lim −a1 (q − 1) = −a1 (q − 1) e a série é convergente. Conclusão: Uma série geométrica é divergente se |q| ≥ 1 e é convergente se |q| 1. Quando |q| 1 ainda temos que ∞ n=1 a1qn−1 = a1 1 − q . -XEMPLO 5.8.6 A série ∞ n=1 2 3 n é convergente, pois sua razão é q = 2 3 1. Já a série ∞ n=1 3 2 n é divergente pois sua razão é q = 3 2 1. 183
  16. 16. 5.9 Critérios de Convergência de Séries Quando conhecemos o termo geral da soma de uma série, é fácil fazer a vericação da convergência. Podemos vericar se uma série converge usando critérios para convergência que passaremos a estudar a seguir. 5.9.1 Critério da integral TEOREMA 5.9.2 Seja ∞ n=1 un uma série tal que un+1 ≤ un para todo n ∈ N∗ . Seja f (x) uma função positiva, contínua e decrescente no intervalo [1, ∞) tal que f (n) = un para todo n ∈ N∗ . Então, se a integral ∞ 1 f (x) dx convergir, a série ∞ n=1 un também será convergente. Se a integral divergir, a série também será divergente. A demonstração deste teorema poderá ser estudada em qualquer um dos livros constantes na bibliograa. EXEMPLO 5.9.3 Verique as hipóteses do teste da integral e utilize-o, se possível, para analisar a convergência da série ∞ n=1 ne−n . Solução: Considere a função f(x) = xe−x , obviamente f(x) é contínua e positiva para x ≥ 1. Falta vericar que é decrescente. Usando o teste da primeira derivada temos que f (x) = e−x (1 − x) e f (x) 0 para todo x 1, em x = 1 função apresenta um máximo local, então f(x) é decrescente para todo x ≥ 1. Como as hipóteses do teste da integral estão vericadas podemos utilizá-lo para estudar a convergência da série ∞ n=1 ne−n . O teste da integral arma que a série ∞ n=1 ne−n converge se, a integral I = ∞ 1 xe−x dx converge e a série diverge se a integral divergir. Assim, I = ∞ 1 xe−x dx = lim b→+∞ b 1 xe−x dx = lim b→+∞  −xe−x b 1 + b 1 e−x dx   = lim b→+∞ −be−b + e−1 − e−b + e−1 = 2 e + lim b→+∞ − b eb − 1 eb = 2 e . Como a integral imprópria converge, pelo teste da integral a série ∞ n=1 ne−n também converge. 5.9.4 Série p ou Série Hiper-harmônica DEFINIÇÃO 5.9.5 Denominamos série p todas as séries escritas na forma ∞ n=1 1 np , onde p é uma constante positiva. 184
  17. 17. Vamos utilizar o Teorema 5.9.2 para estudar a convergência da série p. -XEMPLO 5.9.6 Estude a convergência da série ∞ n=1 1 np = 1 + 1 2p + 1 3p + 1 4p + · · · + 1 np + · · · . Solução: Considerando f (x) = 1 xp , temos que f é positiva, contínua e decrescente, satis- fazendo todas as condições do Teorema 5.9.2, de modo que podemos tomar a integral ∞ 1 1 xp dx = lim n→∞ n 1 1 xp dx. Temos três casos a considerar: (i) Se p = 1 teremos que ∞ 1 1 x dx = lim n→∞ n 1 1 x dx = lim n→∞ ln x n 1 = lim n→∞ (ln n − ln 1) = ∞. Consequentemente, quando p=1, a série ∞ n=1 1 np = ∞ n=1 1 n é divergente. Note que neste caso, temos a série harmônica. (ii) Se p 1 teremos que 1 − p 0 e assim ∞ 1 1 xp dx = lim n→∞ n 1 1 xp dx = lim n→∞ x1−p 1 − p n 1 = lim n→∞ n1−p 1 − p − 1 1 − p = ∞. Consequentemente, se p1, a série ∞ n=1 1 np é divergente. (iii) Se p 1 teremos que 1 − p 0 e assim ∞ 1 1 xp dx = lim n→∞ n 1 1 xp dx = lim n→∞ x1−p 1 − p n 1 = lim n→∞ n1−p 1 − p − 1 1 − p = −1 1 − p . Consequentemente, se p1 a série ∞ n=1 1 np é convergente. -XEMPLO 5.9.7 As séries abaixo são exemplos de séries p. (a) ∞ n=1 1 n9 convergente, pois é uma série-p com p = 9 1. (b) ∞ n=1 1 √ n divergente, pois é uma série-p com p = 1 2 1. 185
  18. 18. 5.9.8 Critério da comparação TEOREMA 5.9.9 Seja ∞ n=1 un uma série e seja ∞ n=1 yn uma série cuja convergência queremos estudar, então: (i) Se ∞ n=1 un for uma série convergente e 0 ≤ yn ≤ un para todo n, então a série ∞ n=1 yn é convergente. (ii) Se ∞ n=1 un for uma série divergente e yn ≥ un ≥ 0 para todo n, então a série ∞ n=1 yn é divergente. ,EMONSTRAÇÃO: (i) Sejam ∞ n=1 un uma série convergente e ∞ n=1 yn uma série tal que 0 ≤ yn ≤ un para todo n. Como ∞ n=1 un é uma série convergente, a sequência de suas somas parciais Sn tem limite L, de modo que u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · L. Como 0 ≤ yn ≤ un para todo n, segue que 0 ≤ y1 + y2 + y3 + · · · + yk + · · · ≤ u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · L. Consequentemente, a sequência de somas parciais de ∞ n=1 yn é limitada e, além disso, monótona. Logo, pelo Teorema 5.5.8 é convergente e, assim, a série ∞ n=1 yn é convergente. (ii) Sejam ∞ n=1 un uma série divergente e yn ≥ un ≥ 0 para todo n. Como ∞ n=1 un é uma série divergente a sua sequência de somas parciais Sn não tem limite, de modo que dado um número L 0, existe K 0 tal que u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · L para todo n K. Como yn ≥ un para todo n, segue que y1 + y2 + y3 + · · · + yk + · · · ≥ u1 + u2 + u3 + · · · + uk + · · · L. Consequentemente, a sequência de somas parciais y1 + y2 + y3 + · · · + yk + · · · não é limitada e, assim, a série ∞ n=1 yn é divergente. -XEMPLO 5.9.10 Usando o Teorema 5.9.9 estude a convergência da série ∞ n=1 n n3 + n2 + n + 1 . Solução: Conforme o Teorema 5.9.9, devemos encontrar uma série que sabemos ser conver- gente ou divergente e fazer a comparação do termo geral dessa série com a série em estudo. Um procedimento usado para encontrar um termo geral adequado é majorar o termo geral da série proposta. Vamos descrever o processo. (i) Temos duas formas de majorar um quociente: aumentando o denominador ou dimin- uindo o denominador. No termo geral da série em estudo, vamos diminuir o denomi- nador passo a passo n n3 + n2 + n + 1 n n3 + n2 + n n n3 + n2 = 1 n(n + 1) . 186
  19. 19. No Exemplo 5.6.3, vimos que a série ∞ n=1 20000 n(n + 1) é convergente. Como podemos escrever ∞ n=1 20000 n(n + 1) = 20000 ∞ n=1 1 n(n + 1) , segue (pela propriedade i), que ∞ n=1 1 n(n + 1) também é convergente. (ii) Vamos vericar que, de fato, n n3 + n2 + n + 1 ≤ 1 n(n + 1) para todo n ∈ N∗ . n n3 + n2 + n + 1 ≤ 1 n(n + 1) ⇔ n2 (n + 1) ≤ n3 + n2 + n + 1 ⇔ n3 + n2 ≤ n3 + n2 + n + 1 ⇔ 0 ≤ n + 1 que é válido para todo n. Logo, pelo Teorema 5.9.9, a série ∞ n=1 n n3 + n2 + n + 1 é convergente. 5.9.11 Critério de D'Alambert ou Critério da Razão TEOREMA 5.9.12 Seja ∞ n=1 un uma série tal que un 0 para todo n e lim n→∞ un+1 un = L. Então (i) A série ∞ n=1 un converge se L 1; (ii) A série ∞ n=1 un diverge se L 1; (iii) Nada podemos armar se L = 1. DEMONSTRAÇÃO: Seja ∞ n=1 un uma série tal que lim n→∞ un+1 un = L. Então, dado ε 0 podemos encontrar K 0 tal que, para todo n K vale a desigualdade un+1 un − L ε. Suponhamos que L 1. Então existe q tal que L q 1 e isso implica que q − L 1. Tomando ε = q − L podemos escrever un+1 un − L q − L donde vem − (q − L) un+1 un − L q − L ou − (q − L) + L un+1 un q. Da última relação concluímos que un+1 unq. Dessa relação temos que un+1 unq un+2 un+1q unqq unq2 un+3 un+2q unq2 q unq3 · · · un+k un+(k−1)q unqk−1 q unqk e assim sucessivamente, de forma que un+1 + un+2 + un+3 + · · · unq + unq2 + unq3 + · · · . 187
  20. 20. Note que unq + unq2 + unq3 + · · · é uma série geométrica, com razão |q| 1 e, portanto, convergente. Assim, pelo Teorema 5.9.9, a série ∞ n=1 un converge se L 1. Poroutro lado, suponhamosque lim n→∞ un+1 un = L 1, entãoobteremos un+1 un paratodo n e, desse modo, lim n→∞ un = 0. Consequentemente, a série não possui a condição necessária para convergência. Logo, a série ∞ n=1 un diverge se L 1. A parte (iii) do Critério de D'Alambert diz que, se lim n→∞ un+1 un = 1, então este critério é inconclusivo. Observe isso considerando os exemplos: ∞ n=1 1 n2 e ∞ n=1 1 n . Para ambas lim n→∞ un+1 un = 1, porém a primeira é uma série p, com p = 2, convergente e a segunda é a série harmônica que sabemos ser divergente. EXEMPLO 5.9.13 Usando o critério de D 'Alambert, estude a convergência da série ∞ n=1 2n n . Solução: Temos que un = 2n n e un+1 = 2n+1 n + 1 . Logo, un+1 un = n2n+1 2n (n + 1) = n2n 2 2n (n + 1) = 2n (n + 1) e assim, pelo critério de D'Alembert, temos que L = lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ 2n (n + 1) = 2 1. Consequentemente, a série ∞ n=1 2n n é divergente. EXEMPLO 5.9.14 Estude a convergência da série ∞ n=1 1 n! . Solução: Temos que un = 1 n! e un+1 = 1 (n + 1)! e então L = lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ n! (n + 1)! = lim n→∞ 1 n + 1 = 0 1, portanto a série ∞ n=1 1 n! converge, pela critério de D'Alembert. 5.9.15 Critério de Cauchy ou Critério da Raíz TEOREMA 5.9.16 Seja ∞ n=1 un uma série tal que un 0 para todo n e lim n→∞ n √ un = L. Então 188
  21. 21. (i) A série ∞ n=1 un converge se L 1; (ii) A série ∞ n=1 un diverge se L 1; (iii) Nada podemos armar se L = 1. -XEMPLO 5.9.17 Usando o critério de Cauchy, estude a convergência da série ∞ n=1 n 2n + 5 n . Solução: Temos que n √ un = n n 2n+5 n = n 2n+5 e aplicando o critério de Cauchy, obtemos que L = lim n→∞ n √ un = lim n→∞ n 2n + 5 = 1 2 1, e concluímos que a série ∞ n=1 n 2n + 5 n é convergente. -XEMPLO 5.9.18 Estude a convergência da série ∞ n=1 52n 23n+1 . Solução: Temos que n √ un = n 52n 23n+1 = 52 23+ 1 n = 25 8.2 1 n . Assim, L = lim n→∞ n √ un = lim n→∞ 25 8.2 1 n = 25 8 1 e a série ∞ n=1 52n 23n+1 diverge, pelo critério de Cauchy. 5.10 Séries de Termos Positivos e Negativos DEFINIÇÃO 5.10.1 Seja un 0 para todo n ∈ N∗ . Denominamos série alternada à série da forma ∞ n=1 (−1)n−1 un = u1 − u2 + u3 − u4 + · · · + (−1)n−1 un + · · · ou ∞ n=1 (−1)n un = −u1 + u2 − u3 + · · · + (−1)n un + · · · -XEMPLO 5.10.2 A série ∞ n=1 (−1)n−1 1 np = 1 − 1 2p + 1 3p − 1 4p + · · · + (−1)n−1 1 np + · · · é um exemplo de série alternada. 189
  22. 22. 5.10.3 Convergência de uma série alternada Infelizmente todos os critérios de convegência vistos até o momento não são válidos para séries alternadas, pois eles exigiam que os termos da série fossem todos positivos. A seguir, passaremos a ver alguns resultados que são válidos para séries de termos positivos e negativos. TEOREMA 5.10.4 (Teorema de Leibnitz) Considere uma série alternada ∞ n=1 (−1)n−1 un = u1 − u2 + u3 − u4 + · · · + (−1)n−1 un + · · · tal que (i) u1 u2 u3 u4 · · · (ii) lim n→∞ un = 0. Então são válidas as seguintes conclusões: (a) A série alternada é convergente. (b) A soma parcial Sn da série alternada é tal que 0 Sn u1. DEMONSTRAÇÃO: (a) Consideremos a soma dos 2n primeiros termos da série alternada. Suponhamos que os termos de ordem ímpar da série são positivos e os de ordem par são negativos. Se, por acaso o primeiro termo for negativo, iniciaremos a contagem em u2, pois a retirada de um número nito de termos não afeta a convergência da série. Desse modo, o termo u2n−1 é positivo e o termo u2n é negativo. Assim, pela condição (i) temos que (u1 − u2) 0, (u3 − u4) 0, · · · (un − un+1) 0, · · · (u2n−1 − u2n) 0 de modo que S2 = u1 − u2 0 S4 = S2 + (u3 − u4) S2 S6 = S4 + (u5 − u6) S4 e assim sucessivamente. Portanto, obtemos que 0 S2 S4 .... S2n. Ainda, associando os termos de outra forma, obtemos que S2n = (u1 − u2) + (u3 − u4) + ... + (u2n−1 − u2n) = u1 − (u2 − u3) − (u4 − u5) − ... − (u2n−2 − u2n−1) − u2n e, pela condição (i), cada termo entre parênteses é positiva. Portanto, estamos subtraindo uma quantidade positiva de u1, obtendo um resultado inferior a u1, de modo que 0 S2n u1. Com isso, segue que S2n é limitada e como 0 S2 S4 · · · S2n, também é monótona. Assim, concluímos que a sequência de somas S2, S4, · · · , S2n converge, pelo Teorema 5.5.8. Seja lim n→∞ S2n = S. Como S2n u1, segue que S u1. Sendo S2n+1 = S2n + u2n+1 e aplicando a condição (ii), temos que lim n→∞ S2n+1 = lim n→∞ S2n + lim n→∞ u2n+1 = S + 0 = S. Consequentemente as somas de ordem ímpar tem a mesma soma dos termos de ordem par. Finalmente, mostraremos que lim n→∞ Sn = S. Como lim n→∞ S2n = S, dado ε 0 podemos encontrar K1 0 tal que |S2n − S| ε sempre que 2n K1. 190
  23. 23. Como lim n→∞ S2n+1 = S, dado ε 0 podemos encontrar K2 0 tal que |S2n − S| ε sempre que 2n + 1 K2. Tomando K = max {K1, K2} , para todo n K vale a desigualdade |Sn − S| ε. Logo, lim n→∞ Sn = S e a série ∞ n=1 (−1)n−1 un é convergente. EXEMPLO 5.10.5 Usando o teorema de Leibnitz, estude a convergência da série ∞ n=1 (−1)n−1 n + 2 n (n + 1) . Solução: Vamos vericar se un satisfaz todas condições do Teorema 5.10.4. O termo geral da série é un = n + 2 n (n + 1) 0 para todo n ∈ N∗ . Agora, vamos vericar se un un+1 para todo n natural. Temos que n + 2 n (n + 1) n + 3 (n + 1) (n + 2) ⇔ (n + 2) (n + 1) (n + 2) n (n + 1) (n + 3) ⇔ n3 + 5n2 + 8n + 4 n3 + 4n2 + 3n ⇔ n2 + 5n + 4 0, que é verdadeiro para todo n natural. Assim, a primeira condição do Teorema 5.10.4 está satisfeita. Ainda, lim n→∞ un = lim n→∞ n + 2 n (n + 1) = 0. e então todas as exigências do Teorema 5.10.4 estão satisfeitas. Podemos concluir então que a série ∞ n=1 (−1)n−1 n + 2 n (n + 1) é convergente. 5.11 Série de Termos de Sinais Quaisquer DEFINIÇÃO 5.11.1 Denominamos série de termos de sinais quaisquer à toda série formada por termos positivos e negativos. As séries alternadas são casos particulares das séries de termos de sinais quaisquer. EXEMPLO 5.11.2 A série ∞ n=1 sin(nπ 6 ) = 1 2 + √ 3 2 +1+ √ 3 2 + 1 2 +0− 1 2 − √ 3 2 −1− √ 3 2 − 1 2 +0+· · · é um exemplo de série de termos de sinais quaisquer. Veremos na sequência um teorema que permite vericar se uma série de termos de sinais quaisquer é convergente. 6EOREMA 5.11.3 Seja ∞ n=1 un uma série de termos de sinais quaisquer. Se a série ∞ n=1 |un| for uma série convergente então a série ∞ n=1 un também será convergente. 191
  24. 24. No entanto, se a série ∞ n=1 |un| for divergente, nada poderemos armar sobre a convergência da série de sinais quaisquer ∞ n=1 un. -XEMPLO 5.11.4 Vimos no Exemplo 5.10.5 que a série ∞ n=1 (−1)n−1 n + 2 n (n + 1) é convergente. Porém, a série ∞ n=1 (−1)n−1 n + 2 n (n + 1) = ∞ n=1 n + 2 n (n + 1) não é convergente. O leitor pode vericar essa armação usando o critério da comparação. -XEMPLO 5.11.5 Usando o Teorema 5.11.3, estude a convergência da série ∞ n=1 (−1)n−1 n3 . Solução: Temos que ∞ n=1 (−1)n−1 n3 = ∞ n=1 1 n3 . Como podemos observar, esta é uma série p com p = 3 1 e, portanto, convergente. Logo, ∞ n=1 (−1)n−1 n3 é convergente. A convergência desta série também pode ser estudada pelo teorema de Leibnitz. -XEMPLO 5.11.6 Usando o Teorema 5.11.3 estude a convergência da série ∞ n=1 sin(nx) + 3 cos2 (n) n2 . Solução: Temos que ∞ n=1 sin(nx) + 3 cos2 (n) n2 = ∞ n=1 |sin(nx) + 3 cos2 (n)| n2 e como |sin(nx)| ≤ 1 e |cos2 (n)| ≤ 1, usando propriedades de módulo, segue que sin(nx) + 3 cos2 (n) ≤ |sin(nx)| + 3 cos2 (n) ≤ 1 + 3 cos2 (n) ≤ 1 + 3 = 4, e então podemos concluir que ∞ n=1 |sin(nx) + 3 cos2 (n)| n2 ≤ ∞ n=1 4 n2 para todo n natural. Como ∞ n=1 4 n2 é uma série p convergente (p = 2 1), temos que a série ∞ n=1 sin(nx) + 3 cos2 (n) n2 converge, pelo critério da comparação. Assim, a série ∞ n=1 sin(nx) + 3 cos2 (n) n2 também converge, pelo Teorema 5.11.3. 192
  25. 25. 5.12 Séries absolutamente convergente e condicionalmente convergentes Antes de denir séries absolutamente convergente e condicionalmente convergentes vamos considerar os exemplos abaixo. -XEMPLO 5.12.1 Consideremos a série harmônica ∞ n=1 1 n = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + · · · + 1 n + · · · já mostramos que esta série é divergente. Porém, a série harmônica alternada, dada por ∞ n=1 (−1)n−1 1 n = 1 − 1 2 + 1 3 − 1 4 + · · · + (−1)n−1 1 n + · · · é convergente, pelo teorema de Leibnitz. Vamos mostrar que a série ∞ n=1 (−1)n−1 1 n converge sob condições, isto é, podemos interferir na sua forma de convergir. Solução: Para modicar o valor de convergência de ∞ n=1 (−1)n−1 1 n basta reagrupar os termos desta série, separando a soma dos termos de ordem ímpar da soma dos termos de ordem par, conforme segue: Sn = 1 + 1 3 + 1 5 + · · · + 1 2n − 1 + · · · − 1 2 + 1 4 + 1 6 + · · · + 1 2n + · · · . Como o leitor pode observar, podemos escrever Sn = ∞ n=1 1 2n − 1 − ∞ n=1 1 2n e, cada uma destas sub-somas é divergente. Logo, temos que Sn = ∞ − ∞, isto é, a soma é indeterminada, signicando que, se escrevermos ∞ n=1 (−1)n−1 1 n na forma ∞ n=1 (−1)n−1 1 n = 1 + 1 3 + 1 5 + · · · + 1 2n − 1 + · · · − 1 2 + 1 4 + 1 6 + · · · + 1 2n + · · · nada podemos armar sobre a sua convergência. Isso ocorre porque a série ∞ n=1 (−1)n−1 1 n = ∞ n=1 1 n não converge. Com base no exemplo anterior, vamos denir séries absolutamente convergente e condi- cionalmente convergente. 193
  26. 26. DEFINIÇÃO 5.12.2 Seja ∞ n=1 un uma série de termos de sinais quaisquer, então: (i) Se ∞ n=1 |un| converge, a série é denominada absolutamente convergente. (ii) Se ∞ n=1 un converge e ∞ n=1 |un| diverge, então a série ∞ n=1 un é denominada condicional- mente convergente. -XEMPLO 5.12.3 A série ∞ n=1 (−1)n−1 1 n , estudada no Exemplo 5.12.1, é condicionalmente convergente enquanto que a série ∞ n=1 sin(nx) + 3 cos2 (n) n2 , estudada no Exemplo 5.11.6, é absolutamente convergente. -XEMPLO 5.12.4 Classique a série numérica ∞ n=1 (−1)n−1 n2 n3 + 4 como absolutamente conver- gente, condicionalmente convergente ou divergente. Solução: Temos que ∞ n=1 (−1)n−1 n2 n3 + 4 = ∞ n=1 n2 n3 + 4 , e esta é uma série divergente, pois a função f(x) = x2 x3 + 4 é contínua para todo x = 3 √ −4, em particular para todo x ≥ 1, é positiva para todo x ≥ 3 √ −2, em particular para x ≥ 1, e como f (x) = x(8 − x3 ) (x3 + 4)2 0 para todo x 2, ou seja, logo a função f(x) é decrescente para todo x ≥ 2, e assim podemos aplicar o critério da integral, e deste segue que +∞ 2 x2 x3 + 4 dx = lim b→+∞ b 2 x2 x3 + 4 dx = lim b→+∞ 1 3 ln(x3 + 4) b 2 = +∞, ou seja, a integral imprópria, e consequentemente a série, diverge. Porém, ∞ n=1 (−1)n−1 n2 n3 + 4 é uma série alternada convergente, pois satisfaz as condições do teorema de Leibnitz, visto que lim n→+∞ n2 n3 + 4 = 0 e un+1 = (n + 1)2 (n + 1)3 + 4 ≤ n2 n3 + 4 = un, para todo n ≥ 2 pois acima vericamos que a função f(x) = x2 x3 + 4 é decrescente para todo x ≥ 2. Portanto a série dada é condicionalmente convergente. -XEMPLO 5.12.5 Classique as séries numéricas abaixo como absolutamente convergente, condicionalmente convergente ou divergente, justicando sua resposta. (a) ∞ n=2 (−2)n (ln n)n + 2 √ n + 1 (b) ∞ n=1 (−1)n 2 4 √ n3 + 2n Solução: (a) Analisando a convergência absoluta temos (−2)n (ln n)n + 2 √ n + 1 = 2n (ln n)n + 2 √ n + 1 ≤ 2n (ln n)n '
  27. 27. Aplicando o teste da raiz, temos L = lim n→∞ n 2n (ln n)n = lim n→∞ 2 ln n = 0. Como L 1 a série ∞ n=2 2n (ln n)n converge. Logo, pelo teste da comparação, a série dada converge absolutamente. (b) Analisando a convergência absoluta temos (−1)n 2 4 √ n3 + 2n = 2 4 √ n3 + 2n ≤ 2 4 √ n3 , com isso nada podemos concluir, pois a série dada é menor que uma série p divergente. Porém, observe que 2 4 √ n3 + 2n = 2 [n3(1 + 2 n2 )] 1 4 = 2 n 3 4 (1 + 2 n2 ) 1 4 e 1 ≤ (1 + 2 n2 ) 1 4 ≤ 3 1 4 . Logo, 2 4 √ n3 + 2n ≥ 2 4 √ 3n 3 4 , e, por comparação, a série dada não converge absolutamente. Analisando a convergência condicional, usando o Teorema de Leibnitz, pois a série dada é alternada, temos lim n→∞ 2 4 √ n3 + 2n = 0 e an = 2 4 √ n3 + 2n é decrescente. Portanto, a série dada é condicionalmente convergente. 5.13 Séries de Funções Considerando as funções fi : R → R denidas por f0 (x) = 1, f1 (x) = x, f2 (x) = x2 , f3 (x) = x3 , f4 (x) = x4 , · · · , fn (x) = xn , · · · , podemos escrever a soma S (x) = f0 (x) + f1 (x) + f2 (x) + f3 (x) + f4 (x) + · · · + fn (x) + · · · = 1 + x + x2 + x3 + x4 + · · · + xn + · · · Essa soma innita é um exemplo de série de funções, pois o seu termo geral depende de uma variável real x. Mais geralmente, denimos série de funções como segue. ,EFINIÇÃO 5.13.1 Denominamos série de funções a toda série na qual o termo geral é uma função da variável real x e a denotaremos por ∞ n=0 un (x) = u0 (x) + u1 (x) + u2 (x) + · · · + un (x) + · · · 5.13.2 Convergência de séries de funções Como no estudo das séries numéricas, estamos interessados na convergência das séries de funções. Uma série de funções, se for convergente, convergirá para uma função. A imagem 195
  28. 28. de cada valor de x numa série de funções é uma série numérica que pode ser convergente ou divergente. Por exemplo, para cada valor de x, a série ∞ n=0 xn = 1 + x + x2 + x3 + x4 + · · · + xn + · · · é uma série geométrica e, portanto, converge se |x| 1 e diverge caso contrário. Já sua soma será a função S (x) = 1 1 − x , se |x| 1. Isso signica que uma série de funções convergente, converge para um determinado conjunto de valores de x, denominado domínio ou intervalo de convergência. DEFINIÇÃO 5.13.3 Seja ∞ n=0 un (x) uma série de funções. Denominamos domínio ou inter- valo de convergência da série ao conjunto de todos os valores de x para os quais a série é convergente e denominamos raio de convergência à distância entre o centro e as extremidades do intervalo convergência. -XEMPLO 5.13.4 O raio de convergência da série ∞ n=0 xn é R = 1 e o seu intervalo de con- vergência é I = (−1, 1) . Para todo x ∈ (−1, 1) tem-se que ∞ n=0 xn = 1 1 − x . -XEMPLO 5.13.5 Determine o intervalo e o raio de convergência da série ∞ n=1 cos(x) + sin(x) n4 + n . Solução: Analisando a convergência absoluta da série, temos que cos(x) + sin(x) n4 + n = |cos(x) + sin(x)| n4 + n ≤ |cos(x)| + |sin(x)| n4 + n ≤ 2 n4 + n ≤ 2 n4 e como ∞ n=1 2 n4 é uma p-série convergente, concluímos, por comparação, que a série dada é absolutamente convergente. Ou seja, a série ∞ n=1 cos(x) + sin(x) n4 + n converge para todo valor real de x. Assim, o intervalo de convergência desta série é R e seu raio de convergência é innito. 5.14 Séries de Potências As séries de potências são as séries de funções que aparecem com mais frequência nos problemas de matemática e engenharia, pois são úteis na integração de funções que não possuem antiderivadas elementares, na resolução de equações diferenciais e também para aproximar funções por polinômios (cientistas fazem isso para simplicar expresões complexas, programadores fazem isso para representar funções em calculadoras e computadores). Em vista disso, vamos dar atenção especial ao estudo das Séries de Potências. DEFINIÇÃO 5.14.1 Uma série de potências é uma série cujos termos envolvem apenas potências de x multiplicadas por coecientes constantes cn, ou seja, uma série de potências é escrita na forma ∞ n=0 cnxn = c0 + c1x + c2x2 + c3x3 + · · · + cnxn + · · · . 196
  29. 29. EXEMPLO 5.14.2 A série ∞ n=0 xn do Exemplo 5.13.4 é uma série de potências onde todos os coecientes cn são iguais a 1. Já a série ∞ n=1 cos(x) + sin(x) n4 + n do Exemplo 5.13.5 não é uma série de potências, pois seus termos não envolvem apenas potências de x. OBSERVAÇÃO 5.14.3 Para que os resultados anteriores possam ser usados sem mudanças nas notações, vamos admitir que un(x) = cnxn para o caso das séries de potências. 5.14.4 Processo para determinar o intervalo e o raio de convergên- cia de uma série de potências Utilizam-se os critérios de D 'Alambert ou de Cauchy para a convergência absoluta, tomando lim n→∞ un+1 un ou lim n→∞ n |un| onde un = cnxn . Caso o limite exista vale a condição dos critério usado. Em qualquer caso teremos que lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ cn+1xn+1 cnxn = |x| L onde L = lim n→∞ cn+1 cn . Desse modo, o raio e o intervalo de convergência serão obtidos resolvendo a inequação |x| L 1, que nos dá |x| 1 L , ou seja, o raio de convergência é R = 1 L . OBSERVAÇÃO 5.14.5 Como o critério de D 'Alambert é inconclusivo quando o limite da razão é igual a 1, nada podemos armar se |x| L = 1. Assim, devemos vericar se a série con- verge para x = 1 L e x = − 1 L . Feita esta vericação, pode-se estabelecer o intervalo de convergência. EXEMPLO 5.14.6 Determine o intervalo e o raio de convergência da série ∞ n=0 3n xn 5n (1 + n2) . Solução: Aplicando o critério de D'Alambert para a convergência absoluta, temos que lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ 3n+1 xn+1 5n+1 1 + (n + 1)2 3n xn 5n (1 + n2) = lim n→∞ 5n 3n 3xn x (1 + n2 ) 5n5 (n2 + 2n + 2) 3xn = lim n→∞ 3x (1 + n2 ) 5 (n2 + 2n + 2) = |x| lim n→∞ 3 (1 + n2 ) 5 (n2 + 2n + 2) = 3 5 |x| Assim, a série convergirá se 3 5 |x| 1, ou seja, se |x| 5 3 . Portanto, o raio de convergência é R = 5 3 . Na sequência devemos vericar se a série converge para x = − 5 3 e x = 5 3 . 197
  30. 30. • Se x = − 5 3 , temos a série ∞ n=0 3n −5 3 n 5n (1 + n2) = ∞ n=0 (−1)n 3n 5n 5n (1 + n2) 3n = ∞ n=0 (−1)n 1 (1 + n2) . que converge, pelo critério de Leibnitz. • Se x = 5 3 temos a série ∞ n=0 3n 5 3 n 5n (1 + n2) = ∞ n=0 3n 5n 5n (1 + n2) 3n = ∞ n=0 1 (1 + n2) . que converge por comparação, pois ∞ n=0 1 (1 + n2) ≤ 1 + ∞ n=1 1 n2 . Conclusão: O raio de convergência da série ∞ n=0 3n xn 5n (1 + n2) é R = 5 3 e o seu intervalo de convergência é − 5 3 ≤ x ≤ 5 3 . -XEMPLO 5.14.7 Determinar o intervalo e o raio de convergência da série ∞ n=0 n!xn . Solução: Aplicando novamente o critério de D 'Alambert, temos que lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ (n + 1)!xn+1 n!xn = lim n→∞ (n + 1) |x| = 0, se x = 0 ∞, se x = 0 . Assim, a série dada converge apenas quando x = 0. Portanto, o seu intervalo de con- vergência é I = {0} e R = 0 é o seu raio de convergência. 5.14.8 Série de potências centrada em x = a DEFINIÇÃO 5.14.9 Denominamos série de potências centrada em x = a à toda série da forma ∞ n=0 cn (x − a)n . Para obter o raio e o intervalo de convergência das séries em (x − a) , basta fazer z = (x − a) e encontrar o intervalo de convergência para a série ∞ n=0 cnzn . Após esta etapa, substitui-se z por (x − a) na inequação −R z R. -XEMPLO 5.14.10 Determinar o raio e o intervalo de convergência da série ∞ n=0 2 (x − 5) n2 + 3 n . Solução: Seja z = (x − 5). Então podemos escrever ∞ n=0 2 (x − 5) n2 + 3 n = ∞ n=0 2zn n2 + 3 . Usando o teorema de D'Alambert temos que 198
  31. 31. lim n→∞ un+1 un = lim n→∞ 2zn+1 (n + 1)2 + 3 2zn n2 + 3 = lim n→∞ (n2 + 3) 2zn+1 (n + 1)2 + 3 2zn = lim n→∞ (n2 + 3) |z| (n2 + 2n + 4) = |z| lim n→∞ n2 + 3 n2 + 2n + 4 = |z| e assim a série converge se |z| 1. Portanto, o seu raio de convergência é R = 1. Na sequência, devemos vericar se a série converge para z = −1 e z = 1. • Se z = −1 temos a série ∞ n=0 2zn n2 + 3 = ∞ n=0 2 (−1)n n2 + 3 = ∞ n=0 (−1)n 2 (n2 + 3) que converge, pelo teorema de Leibnitz. • Se z = 1 temos a série ∞ n=0 2zn n2 + 3 = ∞ n=0 2(1)n n2 + 3 = ∞ n=0 2 (n2 + 3) . que converge por comparação com uma p−série, pois ∞ n=0 2 (n2 + 3) ≤ 2 3 + ∞ n=1 2 n2 . Conclusão: O raio de convergência da série ∞ n=0 2zn n2 + 3 é R = 1 e o seu intervalo de convergência é −1 ≤ z ≤ 1. Substituindo z por x − 5, obtemos 4 ≤ x ≤ 6, que é o intervalo de convergência da série ∞ n=0 2 (x − 5) n2 + 3 n . 5.14.11 Continuidade da soma de uma Série de Funções. Sabemos do Cálculo 1 que a soma de um número nito de funções contínuas é contínua. Porém, se a soma envolver innitos termos, seu resultado pode não ser contínuo. Vejamos um exemplo onde isso ocorre. -XEMPLO 5.14.12 Mostre que a série ∞ n=1 x 1 2n+1 − x 1 2n−1 converge para uma função des- contínua. Solução: Escrevendo a soma dos n−primeiros termos desta série Sn (x) = x 1 3 − x + x 1 5 − x 1 3 + x 1 7 − x 1 5 + · · · + x 1 2n+1 − x 1 2n−1 e eliminando os parênteses, obtemos que Sn (x) = −x + x 1 2n+1 . Assim, 199
  32. 32. S(x) = lim n→∞ Sn (x) = lim n→∞ −x + x 1 2n+1 = 1 − x, se x = 0 0, se x = 0. Portanto, lim n→∞ Sn (x) existe para todo x ∈ R e a série de funções dada é convergente. Note que a soma desta série é uma função descontínua em x = 0, enquanto que cada um de seus termos era contínuo. Observe ainda que a série em questão não é uma série de potências. 5.14.13 Derivação de uma série de funções contínuas No Cálculo 1, vimos que a derivada de uma soma nita de funções é igual à soma das derivadas. No entanto, se tivermos uma quantidade innita de funções, essa propriedade pode deixar de ser válida. Da mesma forma, a derivada de uma série de funções convergente pode ser divergente. Vejamos um exemplo: -XEMPLO 5.14.14 Considere a série ∞ n=1 sin(n4 x) n2 . Mostre que esta é uma série convergente e que a série de suas derivadas é divergente. Solução: Como |sin(n4 x)| ≤ 1 para todo n natural e todo x real, segue que sin(n4 x) n2 = |sin(n4 x)| n2 ≤ 1 n2 e por comparação com uma p-série convergente (p = 2), podemos concluir que a série dada é absolutamente convergente. Ainda, esta série converge para todo valor real de x. Seja S(x) a soma desta série, ou seja, S(x) = ∞ n=1 sin(n4 x) n2 = sin x 12 + sin(24 x) 22 + sin(34 x) 32 + sin(44 x) 42 + · · · + sin(n4 x) n2 + · · · derivando termo a termo esta soma, temos que S (x) = cos x 12 + 24 cos(24 x) 22 + 34 cos(34 x) 32 + 44 cos(44 x) 42 + · · · + n4 cos(n4 x) n2 + · · · = cos x + 22 cos(24 x) + 32 cos(34 x) + 42 cos(44 x) + · · · + n2 cos(n4 x) + · · · e aplicando em x = 0, obtemos S (0) = cos 0 + 22 cos 0 + 32 cos 0 + 42 cos 0 + · · · + n2 cos 0 + · · · = 12 + 22 + 32 + 42 + · · · + n2 + · · · que é uma sequência de somas divergente. Assim, a série de funções converge para x = 0, enquanto que a derivada desta série diverge em x = 0. Observe que a série em questão não é uma série de potências. Da mesma forma que na derivada, a integração de uma série de funções também exige cuidados. Enquanto que a integral de uma soma nita de funções é igual a soma das integrais, o mesmo pode não ser válido para uma quantidade innita de funções. No entanto isto não ocorrerá quando se tratar de séries de potências, ou seja, quando uma série de potências for convergente pode-se efetuar a derivação e a integração termo a termo que as novas séries obtidas por estes processos também serão convergentes, com o mesmo raio de convegência, conforme veremos a seguir. 200
  33. 33. 5.15 Diferenciação e Integração de Séries de Potências A soma de uma série de potências é uma função f(x) = ∞ n=0 cn (x − a)n , cujo domínio é o intervalo de convergência da série. Dentro deste intervalo, a derivação e a integração de f ocorre termo a termo, ou seja, pode-se derivar e integrar cada termo individual da série, de acordo com o resultado abaixo. 6EOREMA 5.15.1 Seja ∞ n=0 cn (x − a)n uma série de potências com raio de convergência R 0. Então a função f denida por f(x) = c0 + c1(x − a) + c2(x − a)2 + · · · = ∞ n=0 cn (x − a)n é diferenciável (e portanto contínua) no intervalo (a − R, a + R) e (i) f (x) = c1 + 2c2(x − a) + 3c3(x − a)2 + · · · = ∞ n=1 ncn (x − a)n−1 (ii) f”(x) = 2c2 + 6c3(x − a) + · · · = ∞ n=2 n(n − 1)cn (x − a)n−2 e assim por diante. Além disso, tomando C = K + ac0, tem-se que (iii) f(x)dx = C + c0(x − a) + c1 (x − a)2 2 + c2 (x − a)3 3 + · · · = C + ∞ n=0 cn (x − a)n+1 n + 1 Os raios de convergência das séries das equações (i), (ii) e (iii) são todos iguais a R. OBSERVAÇÃO 5.15.2 Embora o teorema anterior diga que o raio de convergência permanece o mesmo quando uma série de potências é diferenciada ou integrada, isso não signica que o intervalo de convergência permaneça o mesmo. Pode ocorrer de a série inicial convergir em um extremo enquanto que a série diferenciada diverge nesse ponto. EXEMPLO 5.15.3 Expresse 1 (1 − x)2 como uma série de potências e determine seu raio de convergência. Solução: No Exemplo 5.13.4 vimos que, se x ∈ (−1, 1) então 1 1 − x = 1 + x + x2 + x3 + · · · = ∞ n=0 xn . Diferenciando cada lado dessa equação, obtemos que 1 (1 − x)2 = 1 + 2x + 3x2 + 4x3 + · · · = ∞ n=1 nxn−1 . Podemos deslocar o índice do contador trocando n por n+1, escrevendo a resposta como 1 (1 − x)2 = ∞ n=0 (n + 1)xn . De acordo com o Teorema 5.15.1, o raio de convergência da série diferenciada é o mesmo que o raio de convergência da série original, a saber, R = 1. O leitor poderá vericar que o intervalo de convergência da série obtida é aberto nos extremos, ou seja, é o intervalo (−1, 1). 201
  34. 34. -XEMPLO 5.15.4 Expresse x5 (1 − 3x)2 como uma série de potências e determine seu intervalo de convergência. Solução: No Exemplo 5.15.3 vimos que, para x ∈ (−1, 1) é válido que 1 (1 − x)2 = ∞ n=0 (n + 1)xn . Trocando x por 3x em ambos os lados dessa igualdade, obtemos 1 (1 − 3x)2 = ∞ n=0 (n + 1)(3x)n = ∞ n=0 3n (n + 1)xn e essa série converge se 3x ∈ (−1, 1), ou seja, se x ∈ (−1 3 , 1 3 ). Agora, para obter a série desejada basta multiplicar a série acima por x5 , obtendo x5 (1 − 3x)2 = x5 ∞ n=0 3n (n + 1)xn = ∞ n=0 3n (n + 1)xn+5 . Outra forma de escrever esta série é x5 (1 − 3x)2 = ∞ n=5 3n−5 (n − 4)xn e seu intervalo de convergência é (−1 3 , 1 3 ). -XEMPLO 5.15.5 Encontre a representação em séries de potências para f(x) = ln(1 − x). Solução: Notemos inicialmente que, pelo Exemplo 5.15.3 obtemos que f (x) = −1 1 − x = ∞ n=0 −xn e integrando ambos os lados dessa equação, com o auxílio do Teorema 5.15.1, obtemos que f(x) = −1 1 − x dx = C + ∞ n=0 −xn+1 n + 1 = C − ∞ n=1 xn n . Para determinar o valor de C, colocamos x = 0 nessa equação e encontramos C − 0 = f(0) = ln 1 = 0. Assim ln(1 − x) = − ∞ n=1 xn n = −x − x2 2 − x3 3 − · · · . O raio de convergência dessa série é o mesmo que o da série original, R = 1, porém o intervalo de convergência é I = [−1, 1). Verique! Note o que acontece quando colocamos x = 1 2 no resultado do Exemplo 5.15.5. Como ln 1 2 = − ln 2, vemos que ln 2 = 1 2 + 1 8 + 1 24 + 1 64 + · · · = ∞ n=1 1 n2n . Ou seja, usando esta série de funções obtivemos a soma da série numérica ∞ n=1 1 n2n . 202
  35. 35. 5.16 Séries de Taylor Considere uma função f (x) e seja a um real qualquer. Pretende-se encontrar uma série de potências da forma ∞ n=0 cn (x − a)n que convirja para f, ou seja, tal que f (x) = ∞ n=0 cn (x − a)n . Em outras palavras, queremos que f (x) = c0 + c1 (x − a) + c2 (x − a)2 + c3 (x − a)3 + · · · + cn (x − a)n + · · · (5.16.1) Assim, precisamos determinar os coecientes c0, c1, c2, · · · • Primeiro determinamos c0, tomando x = a em (5.16.1). Obtemos f (a) = c0 + c1 (a − a) + c2 (a − a)2 + c3 (a − a)3 + · · · + cn (x − a)n + · · · donde vem f (a) = c0. • Determinamos a derivada da função (5.16.1) e na sequência aplicamos em x = a para obter c1, ou seja, f (x) = c1 + 2c2 (x − a) + 3c3 (x − a)2 + · · · + ncn (x − a)n−1 + · · · f (a) = c1 + 2c2 (a − a) + 3c3 (a − a)2 + · · · + ncn (a − a)n−1 + · · · donde vem f (a) = c1. • Determinamos a segunda derivada da função (5.16.1) e na sequência aplicamos em x = a para obter c2, isto é, f (x) = 2c2 + 3 · 2c3 (x − a) + 4 · 3c4 (x − a)2 + · · · + n(n − 1)cn (x − a)n−2 + · · · f (a) = 2c2 + 3 · 2c3 (a − a) + 4 · 3c4 (a − a)2 + · · · + n(n − 1)cn (a − a)n−2 + · · · donde vem f (a) = 2c2 ou c2 = f (a) 2! . • Determinamos a terceira derivada da função (5.16.1) e, na sequência f(3) (a) para obter c3. Temos f(3) (x) = 3·2c3+4·3·2c4 (x − a)+5·4·3c5 (x − a)2 +· · ·+n(n−1)(n−2)cn (x − a)n−3 +· · · f(3) (a) = 3·2c3+4·3·2c4 (a − a)+5·4·3c5 (a − a)2 +· · ·+n(n−1)(n−2)cn (a − a)n−3 +· · · donde vem f(3) (a) = 3 · 2c3 ou c3 = f(3) (a) 3! . 203
  36. 36. • Prosseguindo dessa forma, encontraremos cn = f(n) (a) n! , de modo que podemos rees- crever a série como segue f (x) = f (a)+f (a) (x − a)+ f (a) 2! (x − a)2 + f(3) (a) 3! (x − a)3 +· · ·+ f(n) (a) n! (x − a)n +· · · ou seja, encontramos a série de Taylor: f (x) = ∞ n=0 f(n) (a) n! (x − a)n . -XEMPLO 5.16.1 Desenvolver em série de Taylor a função f (x) = sin x. Solução: Primeiro vamos determinar as derivadas de todas as ordens de f (x) = sin x no ponto a. Temos que f (a) = sin a f (a) = cos a f (a) = − sin a f(3) (a) = − cos a f(4) (a) = sin a f(5) (a) = cos a A seguir, substituímos na expressão da série de Taylor f (x) = f (a)+f (a) (x − a)+ f (a) 2! (x − a)2 + f(3) (a) 3! (x − a)3 +· · ·+ f(n) (a) n! (x − a)n +· · · e obtemos sin x = sin a + cos a (x − a) − sin a 2! (x − a)2 − cos a 3! (x − a)3 + sin a 4! (x − a)4 + · · · . Esta série pode ser reescrita separando os termos em seno dos termos em cosseno, con- forme segue sin x = sin a − sin a 2! (x − a)2 + sin a 4! (x − a)4 + · · · + cos a (x − a) − cos a 3! (x − a)3 + · · · , e escrevendo em forma de somatório vem que sin x = ∞ n=0 (−1)n sin a 2n! (x − a)2n + ∞ n=0 (−1)n cos a (2n + 1)! (x − a)2n+1 . 5.17 Série de Maclaurin Colin Maclaurin (1698 - 1746) foi um matemático escocês. Para obter o desenvolvimento de uma função em série de Maclaurin basta tomar a = 0 na série de Taylor. Desse modo, a série de MacLaurin de uma função f é dada por f (x) = ∞ n=0 fn (0) n! xn = f (0) + f (0) x + f (0) 2! x2 + f(3) (0) 3! x3 + · · · + f(n) (0) n! xn + · · · . -XEMPLO 5.17.1 Desenvolver em série de Maclaurin a função f (x) = sin x. Solução: No Exemplo 5.16.1 desenvolvemos f (x) = sin x em série de Taylor. Fazendo a = 0 nesse desenvolvimento, obtemos 204
  37. 37. sin x = sin 0 − sin 0 2! (x − 0)2 + sin 0 4! (x − 0)4 + · · · + cos 0 (x − 0) − cos 0 3! (x − 0)3 + · · · ou seja, sin x = x − x3 3! + x5 5! − x7 7! + x9 9! + · · · ou ainda, sin x = ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)! . O leitor poderá vericar, sem grandes diculdades, que o intervalo de convergência desta série é toda a reta real, ou seja, esta série converge para todo valor real de x. Ainda, esta série pode ser aplicada para determinar o valor de convergência de séries numéricas. Por exemplo, substituindo x = π 6 na série acima, temos que π 6 − π 6 3 3! + π 6 5 5! − π 6 7 7! + π 6 9 9! + · · · = sin π 6 = 1 2 . -XEMPLO 5.17.2 Desenvolver em série de MacLaurin a função f(x) = sin x x dx. Solução: Primeiro dividimos cada termo obtido no Exemplo 5.17.1 por x, encontrando sin x x = 1 − x2 3! + x4 5! − x6 7! + x8 9! + · · · A seguir, integramos a série termo a termo e obtemos sin x x dx = dx − x2 3! dx + x4 5! dx − x6 7! dx + x8 9! dx + · · · = x − x3 3!3 + x5 5!5 − x7 7!7 + x9 9!9 + · · · = ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)! (2n + 1) , que converge para todo valor real de x. -XEMPLO 5.17.3 Utilize séries de funções para calcular lim x→0 sin x − x x3 . Solução: A partir da série encontrada no Exemplo 5.17.1, temos que sin x = x − x3 3! + x5 5! − x7 7! + x9 9! + · · · (−1)n x2n+1 (2n + 1)! + · · · e então sin x − x = − x3 3! + x5 5! − x7 7! + x9 9! + · · · (−1)n x2n+1 (2n + 1)! + · · · . 205
  38. 38. Dividindo ambos os lados por x3 , encontramos sin x − x x3 = − 1 3! + x2 5! − x4 7! + x6 9! + · · · (−1)n x2n−2 (2n + 1)! + · · · . Portanto lim x→0 sin x − x x3 = lim x→0 − 1 3! + x2 5! − x4 7! + x6 9! + · · · (−1)n x2n−2 (2n + 1)! + · · · = − 1 6 . -XEMPLO 5.17.4 Desenvolver em série de Maclaurin a função f(x) = sin(2x). Solução: Anteriormente, vimos que a série de MacLaurin de sin x é sin x = x − x3 3! + x5 5! − x7 7! + · · · (−1)n x2n+1 (2n + 1)! + · · · trocando x por 2x nesta série, obtemos sin(2x) = 2x − (2x)3 3! + (2x)5 5! − (2x)7 7! + · · · (−1)n (2x)2n+1 (2n + 1)! + · · · = 2x − 23 x3 3! + 25 x5 5! − 27 x7 7! + · · · + (−1)n 22n+1 x2n+1 2n + 1 + · · · = ∞ n=0 (−1)n 22n+1 (x)2n+1 (2n + 1)! . Uma das principais aplicações das séries de Taylor e de MacLaurin ocorre na integração de funções. Newton frequentemente integrava funções expressando-as primeiro como uma série de potências e depois integrando a série termo a termo. Por exemplo, a função g(x) = e−x2 não pode ser integrada pelas técnicas do Cálculo 1, pois sua antiderivada não é uma função elementar. No exemplo a seguir usaremos a ideia de Newton para integrar essa função. -XEMPLO 5.17.5 Expresse e−x2 dx como uma série de potências centrada no ponto 0. Solução: Primeiro encontraremos a série de MacLaurin para g(x) = e−x2 . Embora seja possível usar o método direto, vamos encontrá-la a partir da série de MacLaurin para f(x) = ex . Como f(n) (x) = ex para todo n natural, temos que f(n) (0) = e0 = 1 ∀n ∈ N∗ e assim, a série de MacLaurin da função exponencial é ex = ∞ n=0 f(n) (0) n! xn = ∞ n=0 xn n! = 1 + x + x2 2! + x3 3! + · · · . Pode-se mostrar facilmente que esta série converge para todo x real e que seu intervalo de convergência é innito. Trocando x por −x2 neste desenvolvimento, obtemos que e−x2 = ∞ n=0 (−x2 )n n! = ∞ n=0 (−1)n x2n n! = 1 − x2 + x4 2! − x6 3! + · · · 206
  39. 39. que também converge para todo x. Agora podemos integrar esta série termo a termo, de acordo com o Teorema 5.15.1 e obter ∀n ∈ R e−x2 dx = C + ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)n! = C + x − x3 3 + x5 5.2! − x7 7.3! + · · · -XEMPLO 5.17.6 Calcule 1 0 e−x2 dx com uma precisão de três casas decimais. Solução: Aplicando o Teorema Fundamental do Cálculo à expressão obtida no exemplo anterior, temos que 1 0 e−x2 dx = C + ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)n! 1 0 = ∞ n=0 (−1)n (2n + 1)n! . Expandindo alguns termos desta série numérica, temos que 1 0 e−x2 dx = ∞ n=0 (−1)n (2n + 1)n! = 1 − 1 3 1 10 − 1 42 + 1 216 − 1 1320 + 1 9360 + · · · e observamos que a partir do sexto termo desta expansão, todos os demais possuem módulo menor que 1 1320 0, 001 e assim, ao somarmos os cinco primeiros termos da expansão teremos uma aproximação com precisão de até 3 casa decimais 1 0 e−x2 dx ≈ 1 − 1 3 + 1 10 − 1 42 + 1 216 ≈ 0, 7475. -XEMPLO 5.17.7 Utilize desenvolvimento em séries de MacLaurin para calcular lim x→0 arctan(x) − sin x x3 cos x . Solução: Começamos com o desenvolvimento em série de potências de f(x) = arctan x. Como f (x) = 1 1 + x2 = (1 + x2 )−1 é mais simples iniciar pelo desenvolvimento de f . No Exemplo 5.18.1 obtemos que (1 + x)−1 = 1 − x + x2 − x3 + x4 + · · · + (−1)n xn + · · · trocando x por x2 , segue que f (x) = (1 + x2 )−1 = 1 − x2 + x4 − x6 + · · · + (−1)n x2n + · · · então, integrando termo a termo, temos que arctan x = 1 1 + x2 dx = x − x3 3 + x5 5 − x7 7 + · · · + (−1)n x2n+1 2n + 1 + · · · (I) (a constante na expansão da função arco tangente é zero). Ainda, sabemos que o desenvolvimento em série para o seno é sin x = x − x3 3! + x5 5! − x7 7! + · · · + (−1)n x2n+1 (2n + 1)! + · · · (II) 207
  40. 40. Tomando a diferença entre as equações 1 e 11 obtemos arctan x − sin x = x3 −1 3 + 1 3! + x5 1 5 − 1 5! + · · · + x2n+1 (−1)n 2n + 1 + (−1)n+1 (2n + 1)! + · · · Podemos obter a série de MacLaurin para cos x facilmente, basta derivar termo a termo a série de sin x desenvolvida acima, obtendo cos x = 1 − x2 2! + x4 4! − x6 6! + · · · + (−1)n x2n (2n)! + · · · . Agora podemos tomar o quociente desejado e simplicar, para obter que arctan(x) − sin x x3 cos x = x3 −1 3 + 1 3! + x5 1 5 − 1 5! + · · · + x2n+1 (−1)n 2n + 1 + (−1)n+1 (2n + 1)! + · · · x3 1 − x2 2! + x4 4! + · · · + (−1)n x2n (2n)! + · · · = −1 3 + 1 3! + x2 1 5 − 1 5! + · · · + x2n−2 (−1)n 2n + 1 + (−1)n+1 (2n + 1)! + · · · 1 − x2 2! + x4 4! − x6 6! + · · · + (−1)n x2n (2n)! + · · · Finalmente, podemos aplicar o limite em ambos os lados dessa igualdade e encontrar que lim x→0 arctan(x) − sin x x3 cos x = −1 3 + 1 3! + 0 1 + 0 = −1 3 + 1 6 = − 1 6 . 5.18 Fórmula geral do binômio de Newton Suponhamos que o interesse é o desenvolvimento do binômio (a + b)n , para n inteiro positivo. Do desenvolvimento geral do binômino de Newton vem que (a + b)n = C0 nan + C1 nan−1 b + C2 nan−2 b2 + · · · + Ck nan−k bk + · · · + Cn n bn . Como Ck n = n! k! (n − k)! = n (n − 1) (n − 2) · · · (n − (k − 1)) (n − k)! k! (n − k)! = n (n − 1) (n − 2) · · · (n − (k − 1)) k! , podemos escrever (a + b)n = an +nan−1 b+ n (n − 1) 2! an−2 b2 +· · ·+ n (n − 1) (n − 2) · · · (n − (k − 1)) k! an−k bk +· · ·+bn . Tomando a = 1 e b = x vem que (1 + x)n = 1 + nx + n (n − 1) 2! x2 + · · · + n (n − 1) (n − 2) · · · (n − (k − 1)) k! xk + · · · + xn , que é um desenvolvimento nito. Porém, se n não for um inteiro positivo ou zero, é con- veniente desenvolver o binômio (1 + x)n em série de Maclaurin. Desse modo teremos o desenvolvimento innito (1 + x)n = 1 + nx + n (n − 1) 2! x2 + n (n − 1) (n − 2) 3! x3 + · · · + + n (n − 1) (n − 2) · · · (n − k + 1) k! xk + · · · (5.18.1) 208
  41. 41. Esta série, chamada de série binomial, é um caso particular da Série de MacLaurin. Como o leitor poderá vericar, através do Critério de D'Alembert, a série binomial é absolutamente convergente para todo x real tal que |x| 1. Pode ser provado que esse desenvolvimento é verdadeiro para todo n. A prova pode ser encontrada nos livros citados na bibliograa. Escrevendo em forma de somatório, temos que (1 + x)n = 1 + ∞ k=1 n (n − 1) (n − 2) · · · (n − k + 1) k! xk se |x| 1. -XEMPLO 5.18.1 Desenvolver em série de funções a função f (x) = 1 1 + x . Solução: Temos que f (x) = 1 1 + x = (1 + x)−1 . Portanto, basta substituir n = −1 na fórmula da série binomial. Assim, 1 1 + x = 1 + (−1) x + −1 (−1 − 1) 2! x2 + −1 (−1 − 1) (−1 − 2) 3! x3 + · · · + −1 (−1 − 1) (−1 − 2) · · · (−1 − k + 1) k! xk + · · · = 1 − x + 2 2! x2 + −6 3! x3 + · · · + −1 (−1 − 1) (−1 − 2) · · · (−1 − k + 1) k! xk + · · · 1 1 + x = 1 − x + x2 − x3 + x4 + · · · + (−1)k xk + · · · = ∞ k=0 (−1)k xk . -XEMPLO 5.18.2 Expresse como uma série de potências a função f(x) = ln(x + 1) x . Solução: Vamos analisar inicialmente a função ln(x + 1). A sua derivada é igual a 1 x + 1 , e no exemplo anterior mostramos que 1 x + 1 = 1 − x + x2 − x3 + x4 + · · · + (−1)n xn + · · · = ∞ n=0 (−1)n xn , portanto, devemos integrar ambos os membros da igualdade, obtendo ln(x + 1) = 1 1 + x dx = ∞ n=0 (−1)n xn dx = ∞ n=0 (−1)n xn+1 n + 1 . Como queremos f(x) = ln(x + 1) x , devemos dividir todos os membros por x, donde, ln(x + 1) x = ∞ n=0 (−1)n xn n + 1 . -XEMPLO 5.18.3 Desenvolver em série de funções a função f (x) = 1 √ 1 + x . Solução: Temos que 209
  42. 42. f (x) = 1 √ 1 + x = (1 + x)− 1 2 . Portanto, basta substituir n = −1 2 na fórmula da série binomial. Assim, 1 √ 1 + x = 1 + − 1 2 x + −1 2 −1 2 − 1 2! x2 + −1 2 −1 2 − 1 −1 2 − 2 3! x3 + · · · + −1 2 −1 2 − 1 −1 2 − 2 · · · (−1 2 − k + 1) k! xk + · · · = 1 − 1 2 x + − 1 2 − 3 2 2! x2 + − 1 2 − 3 2 − 5 2 3! x3 + · · · + − 1 2 − 3 2 − 5 2 · · · ( 1 − 2k 2 ) k! xk + · · · 1 √ 1 + x = 1 − 1 2 x + 1 · 3 222! x2 − 1 · 3 · 5 233! x3 + · · · + (−1)k 1 · 3 · 5 · ... · (2k − 1) 2kk! xk + · · · EXEMPLO 5.18.4 Desenvolver em série de funções a função f (x) = 1 √ 1 − x2 . Solução: Podemos aproveitar o resultado do Exemplo 5.18.3 substituindo x por (−x2 ) . Teremos então 1 1 + (−x2) = 1 − 1 2 −x2 + 1 · 3 222! −x2 2 − 1 · 3 · 5 233! −x2 3 + · · · + (−1)n 1 · 3 · 5 · · · (2n − 1) 2nn! −x2 n + · · · 1 √ 1 − x2 = 1 + 1 2 x2 + 1 · 3 222! x4 + 1 · 3 · 5 233! x6 + · · · + 1 · 3 · 5 · ... · (2n − 1) 2nn! x2n + · · · EXEMPLO 5.18.5 Desenvolver em séries de funções a função f (x) = arcsin x. Solução: Como a derivada da função f (x) = arcsin x é f (x) = 1 √ 1 − x2 podemos aproveitar o resultado do Exemplo 5.18.4 e integrá-lo termo a termo, obtendo dx √ 1 − x2 = dx + 1 2 x2 dx + 1 · 3 222! x4 dx + 1 · 3 · 5 233! x6 dx + · · · + 1 · 3 · 5 · ... · (2n − 1) 2nn! x2n dx + · · · que resulta em arcsin x = x + 1 2 · 3 x3 + 1 · 3 222!5 x5 + 1 · 3 · 5 233!7 x7 + · · · + 1 · 3 · 5 · ... · (2n − 1) 2nn! (2n + 1) x2n+1 + · · · + C ou seja arcsin x = x + ∞ n=1 1 · 3 · 5 · ... · (2n − 1) 2nn! (2n + 1) x2n+1 + π 2 . OBSERVAÇÃO 5.18.6 Vale ressaltar que o desenvolvimento obtido em todos os exemplos ante- riores é válido apenas para |x| 1. 210
  43. 43. 5.19 Exercícios Gerais 1. Determine os quatro primeiros termos de cada uma das sequências dadas abaixo. Cal- cule também lim n→∞ un, caso exista. (a) un = n 4n+2 (b) un = (−1)n 5−n (c) un = (−1)n√ n n+1 (d) un = 100n n 3 2 +4 (e) un = n+1√ n (f) un = ln n n (g) un = ln 1 n (h) un = n2 5n+3 (i) un = cos nπ 2 (j) un = arctan n (k) un = 1 − 2 n n (l) un = n2 2n (m) un = 3n e2n (n) un = 1 + (−1)n (o) un = n √ n (p) un = 7−n 3n−1 2. Dados os termos abaixo, determine uma expressão para as sequências. (a) 1 3 , 2 9 , 4 27 , 8 81 , · · · (b) 1 3 , −2 9 , 4 27 , −8 81 , · · · (c) 1 2 , 3 4 , 5 6 , 7 8 , · · · (d) 0, 1 4 , 2 9 , 3 16 , · · · 3. Classique, se possível, as sequências abaixo quanto à sua monotonicidade. (a) un = n 2n−1 (b) un = n − 2n (c) un = ne−n (d) un = 5n 2n2 (e) un = 10n (2n)! (f) un = nn n! (g) un = 1 n+ln n (h) un = n! 3n 4. Suponha que un seja uma sequência monótona tal que 1 ≤ un ≤ 5. Esta sequência deve convergir? O que mais pode ser dito sobre o seu limite? 5. Suponha que un seja uma sequência monótona tal que un ≤ 5. Esta sequência deve convergir? O que mais pode ser dito sobre o seu limite? 6. Pode-se obter aproximações de √ k utilizando a sequência recursiva un+1 = 1 2 un + k un , onde u1 = 1 2 . (a) Encontre as aproximações u2, u3, u4, u5, u6 para √ 10. (b) Mostre que, se L = lim n→∞ un, então L = √ k. 7. Uma das mais famosas sequências é a sequência de Fibonacci (1710-1250), denida pela recorrência un+1 = un + un−1, onde u1 = u2 = 1. (a) Determine os dez primeiros termos desta sequência. (b) Os termos da nova sequência xn = un+1 un dão uma aproximação para o igualmente famoso número de ouro (ou razão áurea), denotado por τ. Determine uma aproximação dos cinco primeiros termos dessa nova sequência. (c) Supondo que τ = lim n→∞ xn, mostre que τ = 1 2 (1 + √ 5). 8. Encontre o termo geral da sequência de somas parciais de cada uma das séries abaixo. A seguir, determine se a série converge ou diverge, obtendo o valor de sua soma, se possível. 211
  44. 44. (a) ∞ n=1 1 (2n − 1) (2n + 1) (b) ∞ n=1 8 (4n − 3) (4n + 1) (c) ∞ n=1 2n + 1 n2 (n + 1)2 (d) ∞ n=1 ln n n + 1 (e) ∞ n=1 2n−1 5n (f) ∞ n=1 1 n (n + 1) √ n + 1 + √ n (g) ∞ n=1 1 1.2.3.4.5. · · · .n.(n + 2) (h) ∞ n=1 3n + 4 n3 + 3n2 + 2n 9. Analise se as armações abaixo são verdadeiras ou falsas. Justique seus argumen- tos, exibindo contra-exemplos para as armações falsas ou provando as armações verdadeiras. (a) Toda sequência limitada é convergente. (b) Toda sequência limitada é monótona. (c) Toda sequência convergente é necessariamente monótona. (d) Toda sequência monótona decrescente converge para zero. (e) Se un for decrescente e un 0 para todo n ∈ N, então un é convergente. (f) Se −1 q 1, então lim n→+∞ qn = 0. (g) Se a sequência un converge, então a série ∞ n=1 un também converge. (h) Se ∞ n=1 un converge, então ∞ n=1 √ un também converge. (i) Toda série alternada convergente é condicionalmente convergente. (j) A série ∞ n=1 (n3 + 1)2 (n4 + 5)(n2 + 1) é uma série numérica convergente. (k) Desenvolvendo a função g(x) = x 0 t2 e−t2 dt em série de potências obtém-se g(x) = ∞ n=0 (−1)n x2n+3 n!(2n + 3) . (l) A série de potências ∞ n=1 (−1)3n xn é convergente no intervalo (−1 3 , 1 3 ) e sua soma é igual a S = −3x 1 + 3x . (m) Se a sequência un converge então a série ∞ n=1 (un+1 − un) também converge. (n) O raio de convergência da série da série ∞ n=0 (−1)n (3x − 5)2n 22n(n!)2 é innito. (o) A série ∞ n=1 22n 91−n é convergente e sua soma é igual a 36 5 . (p) O critério da integral garante que ∞ n=3 1 n ln n ln(ln n) converge. 212
  45. 45. 10. Encontre o termo geral da soma da série ∞ n=1 4 4n2 − 1 e verique se ela é convergente. 11. Encontre a soma das séries abaixo, se possível. (a) ∞ n=1 1 5 n (b) ∞ n=1 5 (5n + 2)(5n + 7) (c) ∞ n=1 1 n2 + 6n + 8 (d) ∞ n=1 −1 √ n + 1 + √ n 12. Usando o teste de comparação verique se as séries abaixo são convergentes ou diver- gentes. (a) ∞ n=1 1 n3n (b) ∞ n=1 √ n n2 + 1 (c) ∞ n=1 1 nn (d) ∞ n=1 n2 4n3 + 1 (e) ∞ n=1 1 √ n2 + 4n (f) ∞ n=1 |sen(n)| 2n (g) ∞ n=1 n! (2 + n)! (h) ∞ n=1 1 √ n3 + 5 (i) ∞ n=1 1 n √ n2 + 5 (j) ∞ n=1 1 n + √ n + 5 (k) ∞ n=1 n 4n3 + n + 1 (l) ∞ n=1 2n (2n)! (m) ∞ n=1 √ n + 1 + √ n 3 √ n (n) ∞ n=1 1 + n42n n5n (o) ∞ n=1 2 + cos n n2 (p) ∞ n=1 √ n n + 4 (q) ∞ n=1 1 + 2n 1 + 3n (r) ∞ n=1 n + ln n n3 + 1 13. Usando o teste de D 'Alambert verique se as séries abaixo são convergentes ou diver- gentes. (a) ∞ n=1 n + 1 n22n (b) ∞ n=1 n! en (c) ∞ n=1 1 (n + 1)2n+1 (d) ∞ n=1 3n √ n3 + 1 (e) ∞ n=1 3n 2n(n2 + 2) (f) ∞ n=1 n! 2n (2 + n)! (g) ∞ n=1 1 n + 5 (h) ∞ n=1 n + 1 n4n (i) ∞ n=1 n 4n2 + n + 1 (j) ∞ n=1 3n + 1 2n (k) ∞ n=1 3n n2 + 2 (l) ∞ n=1 n! (n + 2)3 (m) ∞ n=1 2n−1 5n(n + 1) 14. Usando o teste de Cauchy, verique se as séries abaixo são convergentes ou divergentes. (a) ∞ n=1 (ln n) n n 2 n (b) ∞ n=1 2n n + 1 n2 n (c) ∞ n=1 n + 1 n22n n (d) ∞ n=1 n4n − n √ n10n + 1 15. Usando o teste da integral verique se as séries abaixo são convergentes ou divergentes. (a) ∞ n=1 ne−n (b) ∞ n=1 ln n n (c) ∞ n=2 1 n ln n (d) ∞ n=1 1 (n + 1) ln (n + 1) (e) ∞ n=1 arctan n n2 + 1 (f) ∞ n=1 ne−n2 (g) ∞ n=1 n2 e−n (h) ∞ n=1 earctan n n2 + 1 (i) ∞ n=1 1 4n + 7 (j) ∞ n=1 1 n √ n2 + 1 (k) ∞ n=1 1 n(1 + ln2 n) 16. Verique se as séries abaixo são absolutamente convergente, condicionalmente conver- gente ou divergente. 213
  46. 46. (a) ∞ n=1 (−1)n−1 2n n! (b) ∞ n=1 (−1)n−1 1 (2n − 1)! (c) ∞ n=1 (−1)n−1 n2 n! (d) ∞ n=1 (−1)n−1 n 2 3 n (e) ∞ n=1 (−1)n−1 n! 2n+1 (f) ∞ n=1 (−1)n−1 1 n2 + 2n (g) ∞ n=1 (−1)n−1 3n n! (h) ∞ n=1 (−1)n−1 n2 + 1 n3 (i) ∞ n=1 (−1)n−1 nn n! (j) ∞ n=1 (−1)n−1 1 n 2 3 + n (k) ∞ n=1 (−1)n−1 nn 2n (2n − 5)n (l) ∞ n=1 (−1)n−1 n4 en (m) ∞ n=1 (−1)n−1 n n2 + 1 (n) ∞ n=1 (−1)n−1 n n3 + 3 (o) ∞ n=1 (−1)n √ 2n2 − n 17. Classique as séries numéricas abaixo como absolutamente convergente, condicional- mente convergente ou divergente, justicando sua resposta. (a) ∞ n=1 (−1)n−1 (23n+4 − n) enn3n (b) ∞ n=1 n cos(nπ) n2 + n + 1 (c) ∞ n=1 (−1)n n + √ n (d) ∞ n=1 (−1)n (n + 1)! 2.4.6 · · · .(2n) (e) ∞ n=1 (−1)n 54n+1 n3n (f) ∞ n=1 (−1)n 73n+1 (ln n)n (g) ∞ n=1 n sin(nπ) + n n2 + 5 (h) ∞ n=1 cos(n) + sin(n) n3 + √ n (i) ∞ n=1 ne2n n2en − 1 18. Determine o raio e o intervalo de convergência das séries de potências abaixo. (a) ∞ n=1 xn √ n (b) ∞ n=1 (−1)n−1 xn n3 (c) ∞ n=0 (3x − 2)n n! (d) ∞ n=1 (−1)n n4n xn (e) ∞ n=1 (−2)n xn 4 √ n (f) ∞ n=2 (−1)n xn 4n ln n (g) ∞ n=0 n(x + 2)n 3n+1 (h) ∞ n=0 √ n(x − 4)n (i) ∞ n=1 (−1)n (x + 2)n n2n (j) ∞ n=1 n!(2x − 1)n (k) ∞ n=1 xn n √ n3n (l) ∞ n=1 (4x − 5)2n+1 n 3 2 (m) ∞ n=0 n(x − 5)n n2 + 1 (n) ∞ n=0 nn (x + 2)n (2n − 5)n (o) ∞ n=0 n4 (x − 1)n en (p) ∞ n=0 2n (x + 1)n n2 + 1 (q) ∞ n=0 n(x − 1)2n n3 + 3 (r) ∞ n=1 (−1)n 1.3.5.7. · · · .(2n − 1)xn 3.6.9. · · · .3n 19. Seja f(x) = ∞ n=1 xn n2 . Determine os intervalos de convergência para f, f e f”. 20. A partir da soma da série geométrica ∞ n=1 xn , para |x| 1, encontre as somas das séries 214
  47. 47. abaixo. (a) ∞ n=1 nxn−1 (b) ∞ n=1 nxn (c) ∞ n=1 n 2n (d) ∞ n=2 n(n − 1)xn (e) ∞ n=2 n2 − n 2n (f) ∞ n=1 n2 2n (g) ∞ n=1 (−1)n xn n (h) ∞ n=0 (−1)n 2n(n + 1) 21. Encontre uma representação em série de potências, centradas em zero, para as funções abaixo. (a) f(x) = 1 1 + x3 (b) f(x) = 1 4 + x3 (c) f(x) = x 9 + 4x2 (d) f(x) = x2 (1 − 2x)2 (e) f(x) = x3 (x − 2)2 (f) f(x) = ln(5 − x) (g) f(x) = x ln(x2 + 1) 22. Expresse as integrais indenidas abaixo como uma série de potências, centradas em zero. (a) x 1 − x8 dx (b) ln(1 − x2 ) x2 dx (c) x − arctan x x3 dx (d) arctan x2 dx 23. Utilize a representação em série de potências, centrada em zero, de f(x) = arctan x para provar a seguinte expressão para π como soma de uma série numérica: π = 2 √ 3 ∞ n=0 (−1)n 3n(2n + 1) . 24. Mostre que a função f(x) = ∞ n=0 xn n! é solução da equação diferencial f (x) = f(x). 25. Mostre que as funções f1(x) = ∞ n=0 (−1)n x2n (2n)! e f2(x) = ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)! são soluções da equação diferencial f”(x) + f(x) = 0. 26. Encontre a soma das seguintes séries (a) ∞ n=0 (−1)n π2n+1 42n+1(2n + 1)! (b) ∞ n=0 (−1)n π2n 62n(2n)! (c) ∞ n=1 3n n! (d) ∞ n=0 3n 5nn! 27. Encontre o raio e o domínio de convergência da série ∞ n=0 2n (x − 2)n 5n(1 + n2) . 28. Determine o intervalo de convergência da série ∞ n=1 (3x − 5)n 7nn . 29. Mostre que a série de potências ∞ n=0 (−1)n x2n 32n é convergente no intervalo (−3, 3) e que sua soma é igual a S = 9 9 + x2 . 30. Determine o intervalo de convergência da série de potências que representa a função f(x) = 4 x2 expandida em torno de a = 1. 31. Desenvolva a função f(x) = cosh(x3 ) em série de MacLaurin, determinando o termo geral de sua expansão e o seu intervalo de convergência. 215
  48. 48. 32. Determine o intervalo e o raio de convergência da série de funções, centrada em zero, que representa a função f(x) = ex2 − 1 x . 33. Usando séries de Maclaurin, mostre que cos xdx = sin x + k. 34. Desenvolva a função f(x) = x 0 t2 ln(1 + 4t2 )dt em séries de MacLaurin e determine o seu intervalo de convergência. 35. Desenvolver em série de Taylor e Maclaurin as funções: (a) f(x) = sin2 x (b) f(x) = x2 sin 2x (c) f(x) = e3x (d) f(x) = e−x2 (e) f(x) = cos 2x (f) f(x) = sin(x5 ) x3 (g) f(x) = cos x − 1 x2 (h) f(x) = x3 ex2 36. Utilize desenvolvimento em séries de MacLaurin para calcular os seguintes limites. (a) lim x→0 cos 2x + 2x2 − 1 x4 (b) lim x→0 sin(x2 ) + cos(x3 ) − x2 − 1 x6 (c) lim x→0 ln(1 + x2 ) 1 − cos x (d) lim x→0 ln(1 + x2 ) − 3 sin(2x2 ) x2 (e) lim x→0 ln(1 + x3 ) − ex3 + 1 x6 (f) lim x→0 x2 sin(x2 ) + ex4 − 1 ln(1 + x4) (g) lim x→0 cos(2x2 ) − ex4 x sin(x3) (h) lim x→0 sin(x8 ) + cos(3x4 ) − 1 ex8 − 1 37. Utilize séries numéricas e/ou séries de potências para encontrar os valores reais de k que tornam válidas cada uma das igualdades abaixo. (a) ∞ n=0 enk = 9 (b) lim x→0 e−x4 − cos(x2 ) x4 = k 38. Desenvolver em série de Maclaurin as seguintes funções: (a) f(x) = 1 1 − x (b) f(x) = 1 √ 1 + x (c) f(x) = 1 1 + x2 (d) f(x) = 1 √ 1 − x2 (e) f(x) = sin x x dx (f) f(x) = e−x2 dx (g) f(x) = ln(1 + x) x dx (h) f(x) = ln 1 + x 1 − x (i) f(x) = arcsin x (j) f(x) = arccos x (k) f(x) = arctan x (l) f(x) = 3 √ 1 + x 39. Calcule a integral t 0 1 3 √ 1 + x4 dx utilizando expansão em série de potências, centrada em zero. Determine o termo geral desta expansão ou faça o seu desenvolvimento com pelo menos 5 termos não nulos. 216
  49. 49. 5.20 Respostas 1. . (a) 1 4 (b) 0 (c) 0 (d) 0 (e) (f) 0 (g) (h) (i) (j) π 2 (k) e−2 (l) 0 (m) 0 (n) (o) 1 (p) 0 2. (a) un = 2n−1 3n (b) un = (−1)n−12n−1 3n (c) un = 2n−1 2n (d) un = n−1 n2 3. . (a) decrescente (b) decrescente (c) decrescente (d) decrescente (e) decrescente (f) crescente (g) decrescente (h) n˜ao-decrescente 4. A sequência converge, pois é uma sequência monótona limitada. Seu limite L é tal que 1 ≤ L ≤ 5. 5. Se a sequência for monótona crescente, será convergente, com limite L ≤ 5. Porém, se a sequência for monótona decrescente nada podemos armar. 6. Dica para o item (b): Note que se L = lim n→+∞ un então lim n→+∞ un+1 = L. Com isso, aplica-se limites em ambos lados da relação de recorrência dada e obtém-se que L = 1 2 L + k L . Agora basta isolar L. 7. Dica para o item (c): Note que se τ = lim n→+∞ xn = lim n→+∞ un+1 un então lim n→+∞ un−1 un = 1 τ . Com isso, aplica-se limites em ambos lados da relação de recorrência dada e obtém-se que τ = 1 + 1 τ . Agora basta isolar τ. 8. . (a) Sk = k 2k + 1 . Converge para 1 2 (b) Sk = 8k 4k + 1 . Converge para 2 (c) Sk = k (k + 2) (k + 1)2 . Converge para 1 (d) Sk = − ln(k + 1). Diverge (e) Sk = 1 3 − 2k 3.5k . Converge para 1 3 (f) Sk = 1 − 1 √ k + 1 .Converge para 1 (g) Sk = 1 2 − 1 (k + 2)! . Converge para 1 2 (h) Sk = 5 2 − 2 k + 1 − 1 k + 2 . Converge para 5 2 9. . (a) F (b) F (c) F (d) F (e) V (f) V (g) F (h) F (i) F (j) F (k) V (l) V (m) V (n) V (o) V (p) F 10. Sk = 2 − 2 2k + 1 . A série converge para 2. 11. (a) S = 1 4 (b) S = 1 7 (c) S = 7 24 (d) A série diverge 12. Legenda: C (convergente), D (divergente), I (inconclusivo): (a) C (b) C (c) C (d) D (e) D (f) C (g) C (h) C (i) C (j) D (k) C (l) C (m) D (n) D (o) C (p) D (q) C (r) C 217
  50. 50. 13. Legenda: C (convergente), D (divergente), I (inconclusivo): (a) C (b) D (c) C (d) I (e) D (f) C (g) I (h) C (i) I (j) C (k) D (l) D (m) C 14. Legenda: C (convergente), D (divergente), I (inconclusivo): (a) C (b) C (c) C (d) C 15. Legenda: C (convergente), D (divergente), I (inconclusivo): (a) C (b) D (c) D (d) D (e) C (f) C (g) C (h) C (i) D (j) C (k) C 16. . (a) absolutamente (b) absolutamente (c) absolutamente (d) absolutamente (e) divergente (f) absolutamente (g) absolutamente (h) condicionalmente (i) divergente (j) condicionalmente (k) divergente (l) absolutamente (m) condicionalmente (n) absolutamente (o) condicionalmente 17. . (a) absolutamente (b) condicionalmente (c) condicionalmente (d) absolutamente (e) absolutamente (f) absolutamente (g) divergente (h) absolutamente (i) divergente 18. I é o intervalo de convergência e R é o raio de convergência (a) R = 1, I = [−1, 1) (b) R = 1, I = [−1, 1] (c) R = ∞, I = (−∞, ∞) (d) R = 1 4 , I = (−1 4 , 1 4 ) (e) R = 1 2 , I = (−1 2 , 1 2 ] (f) R = 4, I = (−4, 4] (g) R = 3, I = (−5, 1) (h) R = 1, I = (3, 5) (i) R = 2, I = (−4, 0] (j) R = 0, I = {1 2 } (k) R = 3, I = [−3, 3] (l) R = 1 4 , I = [1, 3 2 ] (m) I = [4, 6), R = 1 (n) I = (−4, 0), R = 2 (o) I = (1 − e, 1 + e), R = e (p) I = [−3 2 , −1 2 ], R = 1 2 (q) I = [0, 2], R = 1 (r) I = (−3 2 , 3 2 ), R = 3 2 19. [−1, 1], [−1, 1] e (−1, 1), respectivamente. 20. . (a) 1 (1 − x)2 (b) x (1 − x)2 (c) 2 (d) 2x2 (1 − x)3 (e) 4 (f) 6 (g) − ln(1 + x) (h) 2 ln 3 2 21. . (a) f(x) = ∞ n=0 (−1)n x3n (b) f(x) = ∞ n=0 (−1)n x3n 4n+1 (c)f(x) = ∞ n=0 (−1)n 4n x2n+1 9n+1 (d) f(x) = ∞ n=1 2n−1 nxn+1 (e) f(x) = ∞ n=1 nxn+2 2n+1 (f) f(x) = − ∞ n=0 xn+1 (n + 1)5n+1 (g) f(x) = ∞ n=0 (−1)n x2n+3 n + 1 22. . (a) ∞ n=0 x8n+2 8n + 2 + K (b) − ∞ n=1 x2n−1 n(2n − 1) + K (c) ∞ n=1 (−1)n+1 x2n−1 4n2 − 1 + K (d) ∞ n=0 (−1)n x4n+3 (4n + 3)(2n + 1) + K 218
  51. 51. 23. Dica: Mostre que arctan x = ∞ n=0 (−1)n x2n+1 2n + 1 e depois faça x = √ 3 3 . 24. Dica: derive termo a termo, desloque o índice do somatório e substitua na equação dada. 25. Dica: derive termo a termo, desloque o índice do somatório e substitua na equação dada. 26. (a) √ 2 2 (b) √ 3 2 (c) e3 − 1 (d) e 3 5 27. Intervalo de convergência: −1 2 ≤ x ≤ 9 2 e raio de convergência R = 5 2 . 28. Intervalo de convergência: −2 3 ≤ x 4. 29. Dica: Note que a série dada é geométrica! 30. ∞ n=0 (−1)n (4n + 4)(x − 1)n , intervalo de convergência: 0 x 2. 31. cosh(x3 ) = ∞ n=0 x6n (2n)! , que converge para todo x ∈ R 32. Desenvolvimento em séries de MacLaurin : f(x) = ∞ n=1 x2n−1 n! que converge para todo x ∈ R, ou seja, o raio de convergência é innito. 33. Basta integrar termo a termo. 34. f(x) = ∞ n=0 (−1)n 4n+1 x2n+5 (n + 1)(2n + 5) converge para −1 2 ≤ x ≤ 1 2 . 35. Desenvolvimento em séries de Maclaurin (a) ∞ n=0 (−1)n 22n+1 x2n+2 (2n + 2)! (b) ∞ n=0 (−1)n 22n+1 x2n+3 (2n + 1)! (c) ∞ n=0 3n xn n! (d) ∞ n=0 (−1)n x2n n! (e) ∞ n=0 (−1)n 22n x2n (2n)! (f) ∞ n=0 (−1)n x10n+2 (2n + 1)! (g) ∞ n=1 (−1)n x2n−2 (2n)! (h) ∞ n=0 x2n+3 n! 36. (a) 2 3 (b) − 2 3 (c) 2 (d) − 5 (e) − 1 (f) 2 (g) − 3 (h) − 7 2 37. (a) k = ln 8 9 (b) k = − 1 2 219
  52. 52. 38. Desenvolvimento em Séries de MacLaurin (a) ∞ n=0 xn (b) 1 + ∞ n=1 (−1)n 1.3.5. · · · .(2n − 1)xn 2nn! (c) ∞ n=0 (−1)n x2n (d) 1 + ∞ n=1 1.3.5. · · · .(2n − 1)x2n 2nn! (e) ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)!(2n + 1) + C (f) ∞ n=0 (−1)n x2n+1 (2n + 1)! + C (g) ∞ n=0 (−1)n xn+1 (n + 1)2 + C (h) ∞ n=0 2x2n+1 2n + 1 (i) x + ∞ n=1 1.3.5. · · · .(2n − 1)x2n+1 (2n + 1)2nn! (j) − x − ∞ n=1 1.3.5. · · · .(2n − 1)x2n+1 (2n + 1)2nn! (k) ∞ n=0 (−1)n x2n+1 2n + 1 (l) 1 + 1 3 x + ∞ n=2 (−1)n 2.5.8. · · · .(3n − 4)xn 3nn! 39. t 0 1 3 √ 1 + x4 dx = t + ∞ n=1 (−1)n 1.4.7.10. · · · .(3n − 2)t4n+1 (4n + 1).3nn! 220

×