Análise: Séries de números reais

Séries de números reais. Aprenda a fazer as demonstrações e a resolver exercícios.

O que são séries?

Séries são somas (de números reais) com um número infinito de parcelas.

\(s=a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n}+\cdots\)

Observe abaixo uma série chamada de série geométrica.

\( 0,111 \ldots=\frac{1}{10}+\frac{1}{100}+\frac{1}{1000}+\ldots\)

Observe agora essa outra série de números reais conhecida também como “série de Grandi”:

\begin{aligned} & S=1-1+1-1+1-1+\cdots \\ &S=(1-1)+(1-1)+(1-1)+\cdots=0+0+0+\cdots=0 \\
&S=1+(-1+1)+(-1+1)+\cdots=1+0+0+\cdots=1 \\ &S=1-(1-1+1-1+1-1+\cdots)=1-S \\ &\quad \Rightarrow S=1-S \Rightarrow 2 S=1 \Rightarrow S=1 / 2. \end{aligned}

Viu como pode ser problemático trabalhar com séries infinitas?

Note que: \(S_{1}=1, S_{2}=1-1=0, S_{3}=1, S_{4}=0, \ldots, S_{2 n-1}=1 \text { e } S_{2 n}=0 \text {. }\)

Vimos em sequências que se uma sequência converge então todos as subsequências também convergem. O que não ocorre nesse exemplo.

Portanto, \(S_{n}\) é divergente.

O conceito de soma precisa ser repensado quando trabalhamos com séries infinitas. Originalmente a soma surgiu para ser aplicada a quantidade finitas. Quando aplicamos o conceito de somar a quantidades infinitas, sempre haverá parcelas a somar, o processo de somas infinitas não terminam. E caímos em casos como foi mostrado com a série de Grandi.

Somas parciais ou reduzidas de ordem n

É denotada por \(S_{n}\) a soma dos primeiros \(n\) elementos da sequência \(a_{n}\), que é chamada a soma parcial ou soma reduzida de ordem n associada a essa sequência

$$ S_{n}=a_{1}+a_{2}+a_{3}+\ldots+a_{n}=\sum_{j=1}^{n} a_{j} $$

Como saber qual é o valor da soma da série?

\begin{aligned} a_{1}+a_{2}+a_{3}+\ldots+a_{n}+\ldots=S &=\lim _{n \rightarrow \infty} S_{n} \\ &=\lim _{n \rightarrow 1} \sum_{j}^{n} a_{j}=\sum_{j=1}^{\infty} a_{j} \end{aligned}

Obs: o limite \(S=\lim S_{n}\) pode não existir, neste caso a série diverge.

Se \( \lim S_{n}=\pm \infty\) também dizemos que a série diverge.

Notação

\(\sum_{j=1}^{\infty} a_{j}=\sum a_{n}=a_{1}+a_{2}+a_{3}+\cdots+a_{n}+\cdots\)

Resto de ordem n

Se existe o limite \(S=\lim S_{n}\) temos:

\(S-S_{n}=R_{n}\). Daí, note que:

$$ \begin{gathered} \lim \left(S-S_{n}\right)=\lim R_{n} \\ \lim S-\lim S_{n}=\lim R_{n} \\ S-S=\lim R_{n} \\ \lim R_{n}=0. \end{gathered} $$

Teorema:

Se uma série converge, seu termo geral tende a zero.

Seja \(\sum a_{n}\) uma série convergente, cujas reduzidas são dadas por \(S_{n}\).

Como a série é convergente

\(\exists S \in \mathbb{R}: \quad \lim S_{n}=S\).

Agora note que:

\(S_{n}=a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n-1}+a_{n}\)
\(S_{n-1}=a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n-1}\)

Subtraindo membro a membro obtemos

\(S_{n}-S_{n-1}=a_{n}\)

\(\begin{aligned} \lim a_{n} &=\lim \left(S_{n}-S_{n-1}\right) \\ &=\lim S_{n}-\lim S_{n-1} \ &=S-S=0 . \end{aligned}\)

Conclusão: \(a_{n} \longrightarrow 0 \)

Observação: se o termo geral não tende para zero a série diverge.

\(\lim a_{n} \neq 0 \Rightarrow \sum a_{n}\) diverge.

Exemplo

A contra positiva não é válida

Note que em \(1-1+1-1+1-1+\cdots\) o termo geral da série é \(a_{n}=(-1)^{n+1}\), ou seja, \(\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1} = 1-1+1-1+1-1+\cdots\) e então…

\(\lim a_{n}=\lim (-1)^{n+1} \neq 0\).

Se o termo geral tende a zero significa que a série converge?

Não! Pois se trata da reciproca do teorema acima que não é válida. Basta observar a série harmônica:

\(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots\)

em que o termo geral tende a 0:

\(a_{n}=\frac{1}{n} \longrightarrow 0\),

porem

\(\sum \frac{1}{n} \longrightarrow+\infty\)

O termo geral tender para zero é condição necessária para a série convergir mas não é condição suficiente existem séries cujo termo geral tende a zero mas não são convergentes.

Outro exemplo:

\(\sum_{n=1}^{\infty}(\sqrt{n+1}-\sqrt{n})\)

Note que o termo geral tende a zero pois,

\(a_{n}=\sqrt{n+1}-\sqrt{n}=(\sqrt{n+1}-\sqrt{n}) \cdot \frac{(\sqrt{n+1}+\sqrt{n})}{( \sqrt{n+1}+\sqrt{n} )}=\frac{n+1-n}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}\)

Sendo assim,

\(a_{n}=\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}} \longrightarrow 0\)

Porém,

\(S_{1}=a_{1}=\sqrt{2}-1\)

\(S_{2}=a_{1}+a_{2}=\sqrt{2}-1+\sqrt{3}-\sqrt{2} = \sqrt{3} – 1\)

\(S_{3}=a_{1}+a_{2}+a_{3} = \sqrt{2} – 1+\sqrt{3} – \sqrt{2} + \sqrt{4} – \sqrt{3}= \sqrt{4} – 1\)

\(S_{n} = \sqrt{n + 1} – 1\)

Como vimos

\(S_{n}=\sqrt{n+1}-1 \Rightarrow \lim S_{n}=+\infty \Rightarrow \sum a_{n}\) diverge.

Série geométrica

Dado \(q \in \mathbb{R}_{1}\), temos:

\(1+q+q^{2}+\ldots=\sum_{n=0}^{\infty} q^{n}\).

Sejam as reduzidas:

\(S_{n}=1+q+q^{2}+\ldots+q^{n-1}+q^{n}\)

Multiplicando por \(q\) de ambos os lados:

\(q \cdot S_{n}=q+q^{2}+q^{3}+\cdots+q^{n}+q^{n+1}\)

Subtraindo membro a membro:

\(S_{n}-q \cdot S_{n}=1 – q^{n+1}\)

\(\Rightarrow (1 – q) \cdot S_{n} = 1 – q^{n+1} \)

\(\Rightarrow S_{n} = \frac{1 – q^{n+1}}{1 – q} = \frac{1}{1-q}-\frac{q^{n+1}}{1-q}\), \(q \neq 1\).

Observação: os casos \(q = \pm 1\) são triviais, pois:

\(q=1 \Rightarrow \sum q^{n}=1+1+1+1+\ldots \rightarrow+\infty\), diverge

\(q=-1 \Rightarrow \sum q^{n}=1-1+1-1+\cdots\), diverge.

Assim vemos que a série geométrica diverge para \(q = \pm 1\).

Note que, se \(q>1\), então \(\lim a_{n}=\lim q^{n} \neq 0\).

E se \(q<-1\), então \(\lim a_{n}=\lim (-1)^{n}|q|^{n} \neq 0\)

Conclusão: a série geométrica diverge para \(q \leq -1\) ou \(q \geq 1\), agora, por outro lado, se \(-1<q<1\), isto é, se \(|q|<1, \lim q^{n+1} \longrightarrow 0\).

Dessa forma,

\begin{aligned} S_{n} &=\frac{1}{1-q}-\frac{q^{n+1}}{1-q} \\ \lim S_{n} &=\lim \frac{1}{1-q}-\lim \frac{q^{n+1}}{1-q} \\ S &=\sum_{n=0}^{\infty} q^{n}=\frac{1}{1-q} \end{aligned}

Série harmónica

\(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots \rightarrow+\infty\)

A série harmônica diverge:

\(S=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\frac{1}{6}+\frac{1}{7}+\frac{1}{8}+\frac{1}{9}+\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\cdots\)
\(S=1+\frac{1}{2}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{6}+\frac{1}{7}+\frac{1}{8}\right)+\left(\frac{1}{9}+\cdots+\frac{1}{16}\right)+\left(\frac{1}{17}+\cdots+\frac{1}{32}\right)+\cdots \cdot\)

Agora note que:

\(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}>\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=\frac{2}{4}=\frac{1}{2}\)
\(\frac{1}{5}+\frac{1}{6}+\frac{1}{7}+\frac{1}{8}>\frac{1}{8}+\frac{1}{8}+\frac{1}{8}+\frac{1}{8}=\frac{4}{8}=\frac{1}{2}\)
\(\frac{1}{9}+\cdots+\frac{1}{16}>\frac{1}{16}+\cdots+\frac{1}{16}=\frac{8}{16}=\frac{1}{2}\)

Concluímos que:

\(S>1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\cdots \rightarrow+\infty\)

$$ \Rightarrow S=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} \longrightarrow+\infty $$

Diverge.

Média harmônica

Dados \(a, b > 0\), a média harmônica:

\(\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}\)

E para \(n\) números temos:

\(a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}>0\)

\(\frac{n}{\frac{1}{a_{1}}+\cdots+\frac{1}{a_{n}}}\)

Qualquer termo \(a_{n}\) da série harmônica é média harmônica dos dois vizinhos:

Exemplos:

a) \(\frac{2}{\frac{1}{1}+\frac{1}{1 / 3}}=\frac{2}{1+3}=\frac{2}{4}=\frac{1}{2}\)

b) \(\frac{2}{\frac{1}{1 / y}+\frac{1}{1 / 6}}=\frac{2}{4+6}=\frac{2}{10}=\frac{1}{5}\)

Demonstração:

\(\frac{2}{\frac{1}{\frac{1}{n-1}}+\frac{1}{\frac{1}{n+1}}}=\frac{2}{n-1+n+1}=\frac{2}{2 n}=\frac{1}{n}\).

Quando uma série é convergente?

Se a série possui limite dizemos que é convergente, se não dizemos que é divergente.

Divergência da série harmônica

Vamos provar a divergência da série harmônica de uma maneira mais formal

\(\begin{aligned} S_{2^{n}} &=1+\frac{1}{2}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{6}+\frac{1}{7}+\frac{1}{8}\right)+\ldots \ &+\left(\frac{1}{2^{n-1}+1}+\frac{1}{2^{n-1}+2}+\ldots+\frac{1}{2^{n}}\right) \ &=1+\frac{1}{2}+\sum_{j=2}^{n}\left(\frac{1}{2^{j-1}+1}+\frac{1}{2^{j-1}+2}+\ldots+\frac{1}{2^{j}}\right) \end{aligned}\)

\(\begin{aligned} & \geq 1 + \frac{1}{2} + \sum_{i=2}^{n}(\underbrace{\left.\frac{1}{2 j}+\frac{1}{2^{j}}+\cdots+\frac{1}{2 i}\right)}{2 i-1} \\ & =1+\frac{1}{2}+\sum{i=2}^{i n} \frac{2^{i-1}}{2^{i}}=1+\frac{1}{2}+\frac{2}{4}+\frac{4}{8}+\ldots+\frac{2^{n-1}}{2^{n}} \\ & =1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+\ldots+\frac{1}{2} \\ \Rightarrow S_{2 n} \geq 1+\frac{n}{2} \Rightarrow 1+\frac{n}{2} \end{aligned}\)

Critério de Cauchy para séries

\(\sum a_{n}\) convergente \(\Leftrightarrow\) Dado \(\varepsilon > 0 \; \exists n_{0} \in \mathbb{N}\) tal que, \(\forall p \in \mathbb{N}; n>n_{0} \Rightarrow\left|a_{n+1}+a_{n+2}+\ldots+a_{n+p}\right|<\varepsilon\)

Demonstração

A demonstração desse teorema é uma adaptação do teorema de Cauchy para sequências.

\(a_{n}=S_{n}\), então, dado \(\varepsilon>0, \exists n_{0} \in \mathbb{N}\) tal que \(\forall p \in \mathbb{N}\),

\(n>n_{0} \Rightarrow\left|S_{n}-S_{n+p}\right|<\varepsilon\)

o que equivale a

\(n>n_{0} \Rightarrow\left|S_{n+p}-S_{n}\right|<\varepsilon .\)

\begin{aligned} S_{n+p} &=a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n}+a_{n+1}+\ldots+a_{n+p} \\ S_{n} &=a_{n}+a_{n}+\cdots+a_{n} \end{aligned}

Assim,

\(S_{n+1}-S_{n}=a_{n+1}+a_{n+2}+\ldots+a_{n+} p\)

Logo,

\(n>n_{0} \Rightarrow\left|a_{n+1}+a_{n+2}+\cdots+a_{n+p}\right|<\varepsilon .\)

Teorema

Se as séries \(\sum a_{n} e \sum b_{n}\) convergem e \(k\) é um número qualquer, então \(\sum k a_{n}\) e \(\sum\left(a_{n}+b_{n}\right)\) convergem \(e\)
$$ \sum k a_{n}=k \sum a_{n} \quad \text { e } \sum\left(a_{n}+b_{n}\right)=\sum a_{n}+\sum b_{n} . $$

Este teorema é consequência do teorema de operações com limites para sequências.

Como por hipótese \(\sum a_{n}\) converge, então a sua sequencia das reduzidas \(S_{n}\) também convenge: \(S_{n} \longrightarrow S\).

Dessa forma,

\(\sum k a_{n}=\lim \left(k \cdot S_{n}\right)=k \cdot \lim S_{n}=k \cdot S=k \sum a\)

portanto, (\sum k a_{n}\) converge.

Como por hipotese as duas séries convergem, sejam as sequencis de reduzidas \(S_{n}\) e \(T_{n}\), de \(\sum a_{n} e \sum b_{n}\) respectivamente.

$$ S_{n} \rightarrow S=\sum a_{n} ; \quad T_{n} \rightarrow T=\sum b_{n} \text {. } $$

Agora note que:

\begin{aligned} \sum\left(a_{n}+b_{n}\right)=\lim \left(S_{n}+T_{n}\right) &=\lim S_{n}+\lim T_{n} \\ &=S+T . \\ &=\sum a_{n}+\sum b_{n} \end{aligned}

Conclusão:

$$ \sum\left(a_{n}+b_{m}\right)=\sum a_{n}+\sum b_{n} . $$

Observação:

\(\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}=S_{n_{0}}+\sum_{n=1}^{\infty} a_{n_{0}+n}\). Pois note que:

\begin{aligned} \sum_{n=1}^{\infty} a_{n} &=\lim S_{n}=\lim S_{n_{0}+n}=\lim \left(S_{n_{0}}+a_{n_{0}+1}+\ldots+a_{n_{0}+n}\right) \\ &=\lim S_{n_{0}}+\lim \left(a_{n_{0}+1}+\ldots+a_{n_{0}+n}\right) \\ &=S_{n_{0}}+\sum_{n=1}^{n} a_{n_{0}+n} . \end{aligned}

Séries de termos positivos

Seja \(\sum P_{n}\) tal que \(P_{n} \geqslant 0, \forall n \in \mathbb{N}\).

Daí \(S_{n}=p_{1}+\cdots+p_{n}\) é uma sequência não decrescente.

Ou seja, \(P_{n} \geqslant 0 \Rightarrow S_{n+1} \geqslant S_{n}\). ( \(\Rightarrow S_{n}\) é monótona)

Se os termos forem permutados, temes uma nova série:

$$ \sum_{n=1}^{\infty} p_{n}^{\prime}=p_{1}^{\prime}+p_{2}^{\prime}+p_{3}^{\prime}+\ldots j \quad S_{n}^{\prime}=p_{1}^{\prime}+p_{2}^{\prime}+\ldots+p_{n}^{\prime}$$.

Para \(m>n\) suficiente grande, teremos:

$$ S_{m} \geq S_{n}^{\prime} \text {. Com a hip. de } \sum p_{n} \longrightarrow S $$, temos: \(S_{n} \leq S_{m} \leq S\).

Portanto, \(S_{n}^{prime}\) é também monótona e limitada, e portanto convergente: \(S_{n}^{\prime} \longrightarrow S^{\prime} \leqslant S .\)

Por outro lado, se \(\sum P_{n}^{\prime}\) fosse a série original, entāo \(\sum p_{n}\) seria obtida de \(\sum p_{n}^{\prime}\) por permutacāo. Dessa forma: \(p / m>n\) suficientemente grande,

$$ S_{n} \leqslant S_{m}^{\prime} \leqslant S^{\prime} \text {, donde } S \leqslant S^{\prime}(* *) $$

Conclusão, de \((*)\) e \((* *)\) temos que \(S=S^{\prime}\).

Observação: Permutação: (P_{n}^{\prime}=P_{f(n)}), onde (f:\mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N}), bijeção.

Teorema

Uma série convergente de termos não negativos possui a mesma soma, independentemente da ordem de seus termos.

Teorema (teste da comparação)

Sejam \(\sum a_{n} e \sum b_{n}\) duas séries. de termos não negativos, a primeira dominada pela segunda, isto é, \(a_{n} \leq b_{n}\) para todo n. Nessas condições podemos afirmar:

\(a) \sum b_{n}\) converge \(\Rightarrow \sum a_{n}\) converge e \(\sum a_{n} \leq \sum b_{n}\);

\(b) \sum a_{n}\) diverge \(\Rightarrow \sum b_{n}\) diverge.

Demonstração:

(a) \(S_{n}=a_{1}+\ldots+a_{n} ; \quad T_{n}=b_{1}+\cdots+b_{n} ;\) Como da hipótese \(\sum b_{n}\) então \( T_{n} \longrightarrow T \in \mathbb{R}\) além disso \(a_{n}, b_{n} \geq 0 \Rightarrow S_{n}, T_{n}\) monótona; \(a_{n} \leq b_{n} \Rightarrow S_{n} \leq T_{n} \Rightarrow S_{n} \leqslant T\). Portanto \(S_{n} \rightarrow S \leqslant T\).

(b) Se \( \sum b_{n}\) converge \(\Rightarrow \sum a_{n}\) converge; \(\sum b_{n}\) diverge.

Teorema (teste da razão)

Seja \(\sum a_{n}\) uma série de termos positivos tal que existe o limite \(L\) do quociente \(a_{n+1} / a_{n}\). Então, a série é convergente se \(L<1\) e divergente se \(L>1\), sendo inconclusivo o caso em que \(L=1\).

O teste da integral

Um outro teste de convergência de séries de muita utilidade é o chamado teste da integral, porque baseado na comparação da série com a integral de uma função.

Teorema

Seja \(f(x)\) uma função positiva, decrescente e \(a_{n}=f(n)\). Então $$ f(2)+\ldots+f(n)<\int_{1}^{n} f(x) d x<f(1)+\ldots+f(n-1) . $$ Em consequência, a série \(\sum a_{n}\) converge ou diverge, conforme a integral que aí aparece seja convergente ou divergente, respectivamente, com \(n \rightarrow \infty\).

Convergência absoluta e condicional

Teorema

Toda série absolutamente convergente é convergente. Mais do que isso, é comutativamente convergente, isto é, a somado série dada independe da ordem de seus termos.

Teorema (teste de Leibniz)

Seja \(\left(a_{n}\right)\) uma seqü̂ncia que tende a zero decrescentemente, isto é, \(a_{1} \geq a_{2} \geq \ldots, a_{n} \rightarrow 0\). Então, a série alternada \(\sum(-1)^{n+1} a_{n}\) converge. Além disso, o erro que se comete tomando-se uma reduzida qualquer da série como valor aproximado de sua soma é, em valor absoluto, menor ou igual ao primeiro termo desprezado.

Teorema

Se uma dada série \(\sum a_{n}\) é condicionalmente convergente, seus termos podem ser reordenados de maneira que a série convirja para qualquer número \(S\) que se prescreva.

Corolário

Uma condição necessária e suficiente para que uma série seja comutativamente convergente é que ela seja absolutamente convergente.

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