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Análise Matemática I

              Séries de Números Reais

                        Joana Peres

                  MIEQ – 2009/2010




FEUP / MIEQ      Joana Peres / Análise Matemática I   1
Introdução às séries de números reais
       Uma série (infinita) de números reais é a soma de todos os (infinitos) termos
   de uma sucessão (ou sequência) de números reais, de termo geral {an}:
                                                     def ∞
                Definição       a1 + a2 + a3 +        ≡   ∑ ar
                                                          r =1


        Será que esta série infinita tem um valor numérico?
              sucessão das somas parciais {Sn}, associada à sucessão de números reais
              {an}, definida através de:

                                    def                          def    n
                 Definição       S n ≡ a1 + a2 +          + an ≡       ∑ ar
                                                                       r =1


              Algumas das somas parciais associadas à sucessão {an}:
                    S1 = a1
                    S 2 = a1 + a2
                     S 3 = a1 + a2 + a3

                     S n = a1 + a2 +      + an
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Séries convergentes e divergentes

        A sucessão de termo geral {an} diz-se somável se e só se a correspondente
    sucessão das somas parciais {Sn} for convergente para um número real qualquer
    S quando n tender para infinito:



                 Definição
                                def                                         n       def   ∞
                 {an }somável   ⇔ ∃S ∈ IR : lim S n = lim ∑ ar ≡                          ∑ ar = S
                                                     n→∞            n→∞
                                                                           r =1           r =1




                                                                   ∞
              Se o limite existir                     a série     ∑ ar          é convergente para S
                                                                  r =1


                                                                   ∞
        Se o limite não existir                       a série     ∑ ar          é divergente
                                                                  r =1




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Propriedades mais importantes das séries de números reais
                              ∞                  ∞                        ∞
                Teorema      ∑ ar     = S∧      ∑ br = T         ⇒    ∑ ( ar +      br ) = S + T
                              r =1               r =1                 r =1
                               ∞                        ∞
                              ∑ ar     = S ⇒         ∑ c ar = c S ,           ∀c ∈ IR
                              r =1                      r =1


           O 2º teorema é um teste de divergência que deve sempre ser aplicado a
        qualquer série antes de utilizar qualquer outro teste de convergência:

          Teorema (Condição necessária de convergência, ou teste de divergência)
                    ∞
                   ∑ ar    converge ⇒ lim an = 0
                                             n →∞
                    r =1


                              ∞
        Demonstração:        ∑ ar    = S ⇒ lim an = lim ( S n − S n −1 ) =
                                                    n →∞          n →∞
                             r =1
                                               = lim S n − lim S n −1 = S − S = 0
                                                    n→∞          n→∞

                                                                              ∞
              Conclui-se do Teorema que:          lim an ≠ 0 ⇒
                                                  n→∞
                                                                          ∑ ar     diverge
                                                                          r =1

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Propriedades mais importantes das séries de números reais

              Exemplos de aplicação do teste de divergência
                           ∞                 ∞
                                r
                           ∑ r +1           ∑ ( −1) r r 2
                           r =1             r =1



              Observação importante:          ∞
           Se lim an = 0 então a série
              n →∞
                                             ∑ ar       pode convergir ou divergir
                                             r =1



               Exemplo: A série chamada série harmónica

     ∞                                                                                1
            1     1   1   1
    ∑       r
              =1+
                  2
                    +
                      3
                        +
                          4
                            +              é uma série divergente, embora o lim
                                                                                n→∞   n
                                                                                        =0
    r =1

               Contudo, a série harmónica diverge com extrema lentidão:
                       Sn ≥ 5 ⇒ n = 83
                       Sn ≥ 10 ⇒ n = 12 367
                       Sn ≥ 100 ⇒ n ≈ 1043
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Propriedades mais importantes das séries de números reais
                              ∞                     ∞
              Teorema         ∑ ar   = S ⇔         ∑ ar    = S + a0 , desde que a0 ∈ IR
                              r =1                 r =0


                Redefinição da soma parcial Sn de forma a incluir o termo a0

                                             def                          def    n
                  Definição              S n ≡ a0 + a1 +         + an ≡         ∑ ar
                                                                                r =0


       A soma parcial Sn é sempre definida como sendo a soma de todos os termos da
    sucessão {an} até ao termo an
             independentemente de o 1º termo da sucessão ser a0, a1, a2 ou outro
             termo qualquer.
     Generalização do teorema:
         Inserir ou remover um número finito de termos numa série convergente não
     altera a convergência da nova série assim obtida
                que convergirá para um valor diferente daquele para que converge a
                série original.
          Inserir ou remover um número finito de termos numa série divergente
      não altera a divergência da nova série assim obtida.
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Estudo de séries directamente a partir da definição
A aplicação directa da definição de série convergente                                  Exprimir Sn sob a “forma fechada”
           Séries telescópicas (ou de Mengoli)
                são séries cujo termo geral ar pode ser escrito como uma diferença
            de dois termos de outra sucessão {br}, em que a “distância” entre esses
            dois termos (isto é, a diferença dos seus índices) é constante, ou seja:
                      ar = br + k − br            ou          ar = br − br + k           com k ∈ IN


            Exemplo em q a r = b r +1 − b r e a série “começa em r = 1”
                p      que                                 ç
                def    n              n                         n                n
          Sn ≡        ∑      ar =    ∑      (br +1 − br ) =   ∑      br +1 −   ∑       br =
                      r =1           r =1                     r =1             r =1

          = ( b2 + b3 +                     + bn −1 + bn + bn +1 ) − ( b1 + b2 + b3 +                 + bn −1 + bn ) =
          = bn +1 − b1
                               def
                 então S ≡ lim S n = ( lim bn +1 ) − b1 = ( lim bn ) − b1
                                     n →∞            n →∞                       n →∞

                 Portanto esta série convergirá se e só se existir lim bn
                                                                                        n →∞
  FEUP / MIEQ                                     Joana Peres / Análise Matemática I                               7
Estudo de séries directamente a partir da definição
                                 Séries telescópicas (ou de Mengoli)

              Exemplo em que ar = br − br + 2 e a série “começa em r = 0”
               def    n             n                          n              n
         Sn ≡        ∑      ar =   ∑      (br − br + 2 ) =    ∑      br −    ∑       br + 2 =
                     r =0          r =0                      r =0            r =0

          = ( b0 + b1 + b2 + b3 +                      + bn ) − ( b2 + b3 +                       + bn + bn +1 + bn + 2 ) =

          = b0 + b1 − (bn +1 + bn + 2 )

              então
                tã
               def
          S ≡ lim S n = b0 + b1 − lim (bn +1 + bn + 2 ) = b0 + b1 − 2 lim bn
                     n →∞                         n →∞                                                n →∞


              Portanto esta série convergirá se e só se existir lim bn
                                                                                    n→∞


        Exemplo                                                ∞
        Estudar a convergência da série                       ∑      ( 21   r +1
                                                                                   − 21   r
                                                                                              )
        telescópica                                           r =1


FEUP / MIEQ                                   Joana Peres / Análise Matemática I                                       8
Estudo de séries directamente a partir da definição

         Séries geométricas

                   Uma série é uma série geométrica se cada termo depois do
               primeiro for um múltiplo fixo do termo precedente, isto é, se

                                     ar +1 = k ar , ∀r ≥ 0

                      O número k chama-se razão da série geométrica.

                    Uma série geométrica é a série que está associada a uma
                “progressão” geométrica do tipo:
                 progressão

                                 a 0 , a0 k , a0 k 2 , a0 k 3 ,


         Representando o termo inicial da série geométrica por a0, vem que:
               ∞
              ∑      a 0 k r = a0 + a 0 k + a 0 k 2 + a0 k 3 +              , com a0 , k ∈ IR
              r =0




FEUP / MIEQ                            Joana Peres / Análise Matemática I                       9
Estudo de séries directamente a partir da definição
                                     Séries geométricas
              Obtenção da “fórmula fechada” para a soma parcial de ordem n:

       Caso em que k = 1

              k = 1 ⇒ S n = a0 + a0 + a 0 +                         + a0 = ( n + 1) a0 ⇒

              ⇒ lim S n = lim ( n + 1) a0 = ± ∞ ⇒ a série é divergente
                  n→∞           n→∞


              k = −1 ⇒ {S n } = {a0 , 0, a0 , 0, a0 ,           }⇒
              ⇒ lim S n não existe e portanto a série é divergente
                            existe,
                  n →∞


       Caso em que k ≠ 1
                          n
                  S n = ∑ a 0 k r = a 0 + a0 k +                       + a0 k n
                         r =0

                 kS n = a0 k + a0 k 2 +                 + a0 k n + a0 k n +1

                                                                                           a0
  S n − k S n = a 0 − a0 k      n +1
                                       ⇒ S n (1 − k ) = a0 (1 − k       n +1
                                                                               ) ⇒ Sn =        (1 − k n +1 )
                                                                                          1− k
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Estudo de séries directamente a partir da definição
                                    Séries geométricas

              A “fórmula fechada” para a soma parcial de ordem n quando k ≠ 1
                                   a0
                         Sn =          (1 − k n +1 )
                                  1− k

               Aplicando a definição de série convergente, conclui-se o seguinte:

         Se k > 1, lim k n +1 não existe ⇒ lim S n não existe, e a série é divergente
                         n →∞                                  n →∞


         S k < 1, lim k n +1 = 0 ⇒ lim S n = a0 , e a série converge:
         Se                                            éi
                   n→∞             n→∞      1− k

                                       ∞
                                                        a0
                                     ∑      a0 k r =
                                                       1− k
                                                            , sse k < 1
                                     r =0




                                 ∞            r          ∞            r           ∞            r
                                       ⎛1⎞                     ⎛1⎞                      ⎛ e⎞
              Exemplos          ∑      ⎜ ⎟
                                       ⎝π ⎠
                                                        ∑      ⎜ ⎟
                                                               ⎝π ⎠
                                                                                 ∑      ⎜− ⎟
                                                                                        ⎝ 2⎠
                                r =0                    r =1                     r =0


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Estudo de séries directamente a partir da definição
                                     Séries geométricas
              Exemplo de aplicação:
              Racionalizar na forma irredutível a dízima periódica infinita 0.33333 ......

              Exemplo de aplicação:

          Diz-se que uma bola elástica tem um coeficiente de restituição r, com
          0 < r < 1, se a bola ressaltar até à altura rh depois de ter sido deixada
          cair da altura h.

          Supondo que a b l é d i d cair d
          S     d          bola deixada i de
          uma altura inicial a (ver figura junta) e
          depois ressalta infinitas vezes até parar,
          mostre que a distância total percorrida
          pela bola é finita, sendo dada por:
                                   1+ r
                            D=a
                                   1− r




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Séries de termos não-negativos
            Se o termo geral de uma série for não-negativo, a correspondente
         sucessão das somas parciais é obrigatoriamente crescente:

          an ≥ 0, ∀n ∈ IN ⇔ S n − S n −1 ≡ an ≥ 0 ⇔ S n ≥ S n −1 ⇔ {S n } é crescente


              Existem apenas duas possibilidades para este tipo de séries, a saber:


                   1ª hipótese: {Sn} é crescente e limitada ⇒
                              ∞
                        ⇒   ∑ ar      converge para sup {Sn}
                             r =1


                   2ª hipótese: {Sn} é crescente mas não-limitada ⇒
                            ∞
                       ⇒    ∑ ar     diverge para ∞
                            r =1




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Séries de termos não-negativos

        Não existe nenhum teste universal de convergência para séries de termos
     não-negativos;
              No entanto existem vários testes de convergência que, sem serem
              universais, permitem resolver o problema da convergência das séries de
              termos não-negativos na maior parte dos casos de interesse prático.

              Desses testes, vamos estudar apenas os cinco mais importantes:

                   1. Teste de comparação directa

                   2. Forma limite do teste de comparação

                   3. Teste da razão (ou de d'Alembert)

                   4. Teste da raíz

                   5. Teste do integral (ou de Cauchy)




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Séries de termos não-negativos
                 O teste de comparação directa pode ser utilizado para mostrar a
              convergência ou a divergência de séries de termos não-negativos:
              Teorema (Teste de comparação directa)
                 Suponhamos que 0 ≤ ar ≤ br , ∀r ≥ r * então:
                          ∞                           ∞
                          ∑ br   converge ⇒         ∑ ar     também converge
                          r =1                      r =1

                          ∞                       ∞
                          ∑ ar   diverge ⇒        ∑ br      também diverge
                          r =1                    r =1


             Estes resultados são igualmente válidos se as duas séries “começarem
          em r = 0”, ou em qualquer número inteiro positivo.
             Se se pretender testar convergência utiliza-se br (o termo “maior”) como
         termo de comparação
             Se se pretender testar divergência utiliza-se ar (o termo “menor”) como
         termo de comparação
                                            ∞                                ∞
               Se 0 ≤ ar ≤ br      e       ∑ br           divergir      ou   ∑ ar   convergir
                                           r =1                              r =1
              nada se pode concluir acerca da outra série
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Séries de termos não-negativos
                                       Teste de comparação directa
       Exemplo

          Utilize o teste de comparação directa para mostrar que a série
                     ∞
                           sen 2 r
                    ∑      2r + r 2
                    r =1


              é convergente.




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Séries de termos não-negativos
                           Forma limite do teste de comparação
     Teorema (Forma limite do teste de comparação)
                                                                                          ar
      Suponhamos que ar > 0 e br > 0, ∀r ≥ r * e seja                           L = lim        então:
                                                                                   r →∞   br
                                 ∞             ∞
                 L>0 ⇒           ∑ br e ∑ ar             convergem ambas ou
                                                         divergem ambas
                                 r =1         r =1
                           ∞                                    ∞
                L=0 e     ∑ br           convergir ⇒           ∑ ar          também converge
                          r =1                                  r =1
                           ∞                                     ∞
                 L=0 e    ∑ br           d eg
                                         divergir         ⇒    ∑ ar          também diverge
                          r =1                                  r =1


           Neste caso fazemos uma comparação indirecta entre duas séries, isto é,
      utilizamos o cálculo do limite L para fazer a comparação entre duas séries.

          A série de termo geral ar é aquela cuja convergência estamos a estudar, e
      a série de termo geral br é uma série conhecida, que é usada como termo de
      comparação
          Escolha de br : inspeccionar o termo geral ar da série que estamos a estudar,
      e verificar qual é a “parte dominante” de ar quando r se torna muito grande.
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Séries de termos não-negativos
                                 Forma limite do teste de comparação
       Exemplo

          Utilize a forma limite do teste de comparação para mostrar que a série
                      ∞
                              5
                     ∑      3r − 1
                     r =1


              é convergente.




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Séries de termos não-negativos
                               Teste da razão (ou de D’Alembert)
     Teorema (Teste da razão, ou de D’Alembert)

              Suponhamos que ar > 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim ar +1 então:
                                                          r →∞ a
                                                                 r
                                               ∞
                          0 ≤ ρ <1      ⇒     ∑      ar converge
                                              r =1

                                               ∞
                    ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒            ∑ ar      diverge
                                              r =1


                      ρ = 1 este teste é inconclusivo, excepto se ar +1 > ar , ∀r ≥ r
                                                                                      **


                             caso em que a série diverge, pois rlim ar ≠ 0
                                                                 →∞

           O teste da razão é, em geral, o teste mais indicado para séries cujo termo
       geral inclua factoriais.

                  Definição de factorial
                                      def
                                                              +
                             ( r + 1)! ≡ ( r + 1) r! , ∀r ∈ Z 0
                                      def
                                  0! ≡ 1
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Séries de termos não-negativos
                                Teste da razão (ou de D’Alembert)
       Exemplo

          Utilize o teste da razão para estudar a convergência da série
                    ∞
                           rr
                    ∑      r!
                    r =1




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Séries de termos não-negativos
                                       Teste da raiz
     Teorema (Teste da raiz)

              Suponhamos que ar > 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim                    r   ar     então:
                                                                          r →∞
                                                 ∞
                          0 ≤ ρ <1        ⇒     ∑      ar converge
                                                r =1

                                                 ∞
                    ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒              ∑ ar      diverge
                                                r =1


                      ρ = 1 este teste é i
                              t t t inconclusivo, excepto se
                                           l i         t                             r    ar > 1 , ∀r ≥ r **
                             caso em que a série diverge, pois rlim ar ≠ 0
                                                                 →∞

           O teste da razão e o teste da raiz estão intimamente relacionados, como
       se pode concluir do seguinte teorema:

                  Teorema             ar +1
                              lim           = ρ ⇒ lim            r   ar = ρ
                              r →∞     ar         r →∞


             É aconselhável começar por tentar utilizar o teste da razão, por ser o mais
       fácil de aplicar.
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Séries de termos não-negativos


       Exemplo

          Estude a convergência da série
                     ∞
                           r
                    ∑      5r
                    r =1

          pelo teste da razão e pelo teste da raiz.




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Séries de termos não-negativos
                             Teste do integral (ou de Cauchy)


          O teste do integral permite relacionar a convergência de séries de termos
      positivos com a convergência de integrais impróprios do 1º tipo:



     Teorema (Teste do integral, ou de Cauchy)
    Suponhamos que ar > 0 e ar +1 < ar , ∀r ≥ r * e seja, f (x) uma função positiva,
    decrescente e integrável em [1, ∞ [, tal que f ( x) = ar , ∀r ∈ IN então:
                    ∞                          ∞
                   ∑ ar   converge sse        ∫1   f ( x) dx         convergir
                   r =1

                 Generalizando, se a série não “começar em r = 1”, vem:
                    ∞                          ∞
                   ∑ ar converge sse          ∫k   f ( x) dx         convergir          +
                                                                                 ∀k ∈ Z 0
                   r =k




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Séries de termos não-negativos
                                        Teste do integral (ou de Cauchy)
      Para demonstrar este teorema, comecemos por mostrar que o integral
   impróprio do 1º tipo pode sempre ser escrito como uma série infinita de
   números reais:
                                                                            ∞
                                                                        = ∑⎛∫             f ( x ) dx ⎞
          ∞                       2               3                                r +1
         ∫1       f ( x ) dx = ∫ f ( x) dx + ∫ f ( x) dx +
                                  1               2
                                                                               ⎜ r
                                                                          r =1 ⎝
                                                                                                     ⎟
                                                                                                     ⎠
                           r +1                                      r +1
          f ( r + 1) < ∫          f ( x) dx < f ( r ) ⇔ ar +1 < ∫           f ( x ) dx < ar
                          r                                         r




   Aplicando o teste de comparação àquela
dupla desigualdade, conclui-se que
              ∞
a série ∑ ar e o integral
                                         ∞

          r =1
                                        ∫1   f ( x ) dx

ou convergem ambos ou divergem ambos




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Séries de termos não-negativos
                              Teste do integral (ou de Cauchy)
       Exemplo

          Utilize o teste do integral para estudar a convergência das séries

                 ∞               ∞
                        1               1
                 ∑      r
                                 ∑      r2
                 r =1            r =1




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Séries de termos não-negativos
          As séries dos “pp” (ou de Riemann) são frequentemente utilizadas como
      termo de comparação ao estudar a convergência de outras séries.
                                 ∞
                                       1      1   1
               Definição        ∑      rp
                                          =1+ p + p +
                                             2   3
                                                                                 , com p ∈ IR
                                r =1


                                             1
              Se        p ≤ 0 ⇒ lim           p
                                                ≠ 0 ⇒               que a série diverge
                                     r →∞   r
                                              1
              Se        p > 0 ⇒ lim            p
                                                 = 0 ⇒              que a série pode convergir ou
                                     r →∞    r                      divergir
                                                                                       1
        Aplicando directamente o teste do integral, com f ( x) =                            definida em [1, ∞ [:
                                                                                       rp
                    ∞
      Como o       ∫1   f ( x) dx converge sse p > 1, concluímos pelo teste do integral que:

              A série dos “pp” (ou de Riemann) converge sse p > 1

                                                   ∞
                                                         1     1   1   1
Se p = 1, temos a série harmónica                 ∑      r
                                                           =1+
                                                               2
                                                                 +
                                                                   3
                                                                     +
                                                                       4
                                                                         +                  que diverge.
                                                  r =1


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Séries de termos não-negativos
                                   Estimativa do resto a partir do teste do integral
                Definição de resto de ordem n duma série convergente para S
                                      def                                                             ∞
                                   Rn ≡ S − S n = an +1 + an+ 2 +                           =      ∑ ar
                                                                                                  r = n +1


                Se o teste do integral puder ser aplicado a esta série convergente, não
            é difícil obter uma estimativa do resto Rn. De facto, como vimos acima:

                            r +1                                      r
                ar +1 < ∫          f ( x) dx < ar ∧ ar < ∫                   f ( x) dx < ar −1 ⇒
                            r                                         r −1

     r +1                                                         ∞       r +1                    ∞           ∞
                                                                   ∑ ∫r                          ∑ ar <        ∑ ∫r −1 f ( x)
                                      r                                                                             r
   ∫r       f ( x) dx < ar <         ∫r −1   f ( x) dx ⇒
                                                                 r = n +1
                                                                                 f ( x ) dx <
                                                                                                r = n +1     r = n +1
                                                                                                                                dx ⇒


                       ∞                                  ∞
                      ∫n+1      f ( x) dx < Rn <        ∫n       f ( x) dx          estimativa do resto Rn


               ∞                                             ∞
    Sn +      ∫n+1 f ( x)       dx < S < S n +           ∫n      f ( x ) dx         estimativa da soma da série


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Séries de termos não-negativos
                           Estimativa do resto a partir do teste do integral
       Exemplo

          Calcular a soma da série dos “pp”
                    ∞
                           1
                    ∑      r3
                    r =1

          com erro inferior a 0.005.




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Séries de termos não-positivos
             Se o termo geral de uma série for não-positivo, a correspondente
          sucessão das somas parciais é obrigatoriamente decrescente:

              an ≤ 0, ∀n ∈ IN ⇔ S n − S n −1 ≡ an ≤ 0 ⇔ S n ≤ S n −1 ⇔ {S n } é decrescente

              Temos então apenas duas possibilidades para este tipo de séries, a saber:

                 1ª hipótese: {Sn} é decrescente e limitada ⇒
                                ∞
                           ⇒   ∑ ar      converge para inf {Sn}
                               r =1


                 2ª hipótese: {Sn} é decrescente mas não-limitada ⇒
                                ∞
                           ⇒   ∑ ar      diverge para -∞
                               r =1


                    ∞          ∞
          Como     ∑ ar ≡ − ∑ ( − ar )      , se a série de termos não-negativos convergir
                    r =1       r =1         para S, a correspondente série de termos não-
                                            positivos (isto é, a série simétrica da série
                                            dada) converge obrigatoriamente para - S
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Séries alternadas
   Séries alternadas são séries cujos termos são alternadamente positivos e negativos
         são particularmente importantes nas aplicações práticas.
   Os testes de convergência que estudámos atrás para séries de termos não-negativos não
podem ser aplicados directamente a estas séries
         é necessário recorrer a outro teorema para estudar a convergência destas séries.
       Teorema (Teste das séries alternadas, ou de Leibniz)
                Seja { ar } uma sucessão de termos positivos tais que:
                 ( i ) ar +1 < ar , ∀r ≥ r *
                 ( ii ) lim ar = 0
                       r →∞
                então as duas séries alternadas associadas a { ar }
                       ∞
                      ∑ (−1) r +1 ar = a1 − a2 + a3 −
                      r =1
                       ∞
                                   e
                      ∑ (−1) r ar = −a1 + a2 − a3 +
                      r =1
                são ambas convergentes.

           Se a 1ª condição não for satisfeita, a série alternada pode convergir ou divergir.
         Se a 2ª condição não for satisfeita, podemos concluir que a série alternada
      em causa é obrigatoriamente divergente.
  FEUP / MIEQ                          Joana Peres / Análise Matemática I                  30
Séries alternadas

       Exemplo

          Estude a convergência da série harmónica alternada

                    ∞
                          ( −1) r +1
                   ∑          r
                   r =1


              e da série alternada

                    ∞
                          ( −1) r +1 ( r + 3)
                   ∑            r +1
                   r =1




FEUP / MIEQ                                 Joana Peres / Análise Matemática I   31
Estimativa do resto de séries alternadas convergentes

    Resto de ordem n
              def             ∞                                 def            ∞
         Rn ≡ S − S n =      ∑ (−1)     r +1
                                               ar   ou      Rn ≡ S − S n =    ∑ (−1) r ar
                            r = n +1                                         r = n +1




              Para uma série alternada convergente
               é sempre possível obter uma estimativa tão precisa quanto se quiser
                    do valor absoluto de Rn e/ou da soma da série:


         Teorema
         O valor absoluto do resto de ordem n de uma série alternada convergente é
         menor do que o valor absoluto do primeiro termo “desprezado” no cálculo
         de Sn :
                                 0 < Rn < an +1




FEUP / MIEQ                            Joana Peres / Análise Matemática I                   32
Séries alternadas

                                                                               r       ar         Sn
           Exemplo
                                                                                1           1           1
                                                                                2        0.5           0.5
             Calcular a soma da série harmónica alternada
                                                                                3   0.333333    0.83333333
                      ∞
                             ( −1) r +1
                                                                                4       0.25    0.58333333

                      ∑          r
                                                                                5        0.2    0.78333333
                      r =1                                                      6   0.166667    0.61666667
                                                                                7   0.142857    0.75952381
             com erro inferior a 0.1.
                                                                                8      0.125    0.63452381
                                                                                9   0.111111    0.74563492
                                                                               10        0.1    0.64563492

   Quando estudarmos a representação
   de funções por meio de séries de
   potências:

    ∞
            ( −1) r +1
   ∑            r
                       = ln 2 = 0.6931471805 .....
    r =1




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Séries de termos positivos e negativos
                                       ∞                                    ∞
                                       ∑ ar                                 ∑      ar
                                       r =1                                 r =1

                                                                    série dos valores
                                                                        absolutos
              Se ar ≥ 0, as duas séries são coincidentes.
              Se ar ≤ 0, as duas séries são simétricas.
                   ∞
              Se   ∑ ar        for uma série de termos positivos e negativos, a
                               correspondente série dos valores absolutos será uma
                   r =1
                               série completamente distinta da série original.

                           Convergência absoluta e convergência condicional

         Como |ar |≥ 0, ∀r, a convergência da série dos valores absolutos pode sempre
     ser analisada recorrendo aos cinco testes de convergência atrás estudados.

                   Teorema (Teste da convergência absoluta)
                                ∞                                     ∞
                          Se   ∑       ar      converge ⇒            ∑ ar          converge
                                r =1                                 r =1


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Séries de termos positivos e negativos
            Podemos classificar as séries de termos positivos e negativos da
         seguinte forma:
                  ∞                          ∞
                 ∑ ar                       ∑      ar                   Tipo de convergência
                 r =1                       r =1
                                                                          absolutamente
              convergente                convergente
                                                                          convergente
                                                                          condicionalmente
              convergente                divergente
                                                                          convergente

              divergente                 divergente                       divergente


         Para séries de termos positivos e negativos, os conceitos de “absolutamente
     convergente”, “condicionalmente convergente” e “divergente”, são mutuamente
     exclusivos: apenas uma destas três possibilidades poderá ser verdadeira.

         Qualquer série convergente de termos não-negativos pode gerar infinitas
     séries de termos positivos e negativos que são absolutamente convergentes:
     basta para tal inserir sinais “menos” à sorte em qualquer ponto da série dada.

FEUP / MIEQ                        Joana Peres / Análise Matemática I                          35
Séries de termos positivos e negativos
                              Testes de convergência absoluta
     Teorema (Teste da razão para convergência absoluta)

              Suponhamos que ar ≠ 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim                     ar +1 então:
                                                                       r →∞        ar
                                              ∞
                           0 ≤ ρ <1    ⇒     ∑      ar converge absolutamente
                                             r =1
                                              ∞
                    ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒           ∑ ar      diverge
                                             r =1

                      ρ = 1 este teste é inconclusivo

     Teorema (Teste da raiz para convergência absoluta)

              Suponhamos que ar ≠ 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim                 r    ar   então:
                                                                       r →∞
                                              ∞
                           0 ≤ ρ <1    ⇒     ∑      ar converge absolutamente
                                             r =1
                                              ∞
                    ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒           ∑ ar      diverge
                                             r =1

                      ρ = 1 este teste é inconclusivo

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Séries de termos positivos e negativos


       Exemplo

          Analise a convergência da série


                 ∞
                        ( −1) r 2 r
                 ∑          r!
                 r =1




FEUP / MIEQ                           Joana Peres / Análise Matemática I   37
Séries de termos positivos e negativos
                                          Rearranjo dos termos de uma série

          Definição
          Uma sucessão de números reais {bn} diz-se um rearranjo de uma outra
          sucessão {an}, quando a sucessão {bn} contiver todos os termos da sucessão
          original {an}, mas colocados por uma ordem diferente.


        Ao rearranjarmos a sucessão {an}, transformando-a na sucessão {bn},
                                      ∞
     também a correspondente série ∑ ar será rearranjada, transformando-se
                      ∞
     numa nova série ∑ br            r =1

                                 r =1


        Em princípio, se as duas séries forem ambas convergentes, elas poderão
     convergir para valores diferentes, pois por definição tem-se que:

    ∞       def          def                                          ∞      def          def
   ∑ ar       ≡   lim S n ≡ lim ( a1 + a2 +
                  n →∞         n →∞
                                                       + an )        ∑ br    ≡     lim S n ≡ lim ( b1 + b2 +
                                                                                   n→∞          n→∞
                                                                                                               + bn )
   r =1                                                              r =1



            Nada nos garante que estes dois limites sejam iguais.


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Séries de termos positivos e negativos
                              Testes de convergência absoluta
   As séries absolutamente convergentes e as condicionalmente convergentes têm
um comportamento distinto no que concerne ao rearranjo dos seus termos:

     Teorema (Rearranjo das séries absolutamente convergentes)
                ∞
     Se série   ∑ ar   for absolutamente convergente para S, e se {bn} for um rearranjo
                r =1
                                     ∞
      qualquer de {an}, a série   ∑ br          também é absolutamente convergente para S.
                                  r =1



        Ou seja, podemos alterar à vontade a ordem dos termos de uma série
    absolutamente convergente, pois este t
     b l t       t           t     i t teorema garante-nos que ela continua a
                                                       t          l     ti
    ser absolutamente convergente para o mesmo número.

     Teorema (Rearranjo das séries condicionalmente convergentes)
                ∞
     Se série   ∑ ar   for condicionalmente convergente para S, existe um rearranjo
                r =1                     ∞
     {bn} de {an}, tal que a série       ∑ br    converge para T, ∀T ∈ IR.
                                         r =1



        Neste caso, portanto, já não é válido alterar a ordem dos termos da série,
    pois se o fizermos ela poderá convergir para um valor diferente (ou até divergir!).
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Análise da convergência de séries telescópicas

  • 1. Análise Matemática I Séries de Números Reais Joana Peres MIEQ – 2009/2010 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 1
  • 2. Introdução às séries de números reais Uma série (infinita) de números reais é a soma de todos os (infinitos) termos de uma sucessão (ou sequência) de números reais, de termo geral {an}: def ∞ Definição a1 + a2 + a3 + ≡ ∑ ar r =1 Será que esta série infinita tem um valor numérico? sucessão das somas parciais {Sn}, associada à sucessão de números reais {an}, definida através de: def def n Definição S n ≡ a1 + a2 + + an ≡ ∑ ar r =1 Algumas das somas parciais associadas à sucessão {an}: S1 = a1 S 2 = a1 + a2 S 3 = a1 + a2 + a3 S n = a1 + a2 + + an FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 2
  • 3. Séries convergentes e divergentes A sucessão de termo geral {an} diz-se somável se e só se a correspondente sucessão das somas parciais {Sn} for convergente para um número real qualquer S quando n tender para infinito: Definição def n def ∞ {an }somável ⇔ ∃S ∈ IR : lim S n = lim ∑ ar ≡ ∑ ar = S n→∞ n→∞ r =1 r =1 ∞ Se o limite existir a série ∑ ar é convergente para S r =1 ∞ Se o limite não existir a série ∑ ar é divergente r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 3
  • 4. Propriedades mais importantes das séries de números reais ∞ ∞ ∞ Teorema ∑ ar = S∧ ∑ br = T ⇒ ∑ ( ar + br ) = S + T r =1 r =1 r =1 ∞ ∞ ∑ ar = S ⇒ ∑ c ar = c S , ∀c ∈ IR r =1 r =1 O 2º teorema é um teste de divergência que deve sempre ser aplicado a qualquer série antes de utilizar qualquer outro teste de convergência: Teorema (Condição necessária de convergência, ou teste de divergência) ∞ ∑ ar converge ⇒ lim an = 0 n →∞ r =1 ∞ Demonstração: ∑ ar = S ⇒ lim an = lim ( S n − S n −1 ) = n →∞ n →∞ r =1 = lim S n − lim S n −1 = S − S = 0 n→∞ n→∞ ∞ Conclui-se do Teorema que: lim an ≠ 0 ⇒ n→∞ ∑ ar diverge r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 4
  • 5. Propriedades mais importantes das séries de números reais Exemplos de aplicação do teste de divergência ∞ ∞ r ∑ r +1 ∑ ( −1) r r 2 r =1 r =1 Observação importante: ∞ Se lim an = 0 então a série n →∞ ∑ ar pode convergir ou divergir r =1 Exemplo: A série chamada série harmónica ∞ 1 1 1 1 1 ∑ r =1+ 2 + 3 + 4 + é uma série divergente, embora o lim n→∞ n =0 r =1 Contudo, a série harmónica diverge com extrema lentidão: Sn ≥ 5 ⇒ n = 83 Sn ≥ 10 ⇒ n = 12 367 Sn ≥ 100 ⇒ n ≈ 1043 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 5
  • 6. Propriedades mais importantes das séries de números reais ∞ ∞ Teorema ∑ ar = S ⇔ ∑ ar = S + a0 , desde que a0 ∈ IR r =1 r =0 Redefinição da soma parcial Sn de forma a incluir o termo a0 def def n Definição S n ≡ a0 + a1 + + an ≡ ∑ ar r =0 A soma parcial Sn é sempre definida como sendo a soma de todos os termos da sucessão {an} até ao termo an independentemente de o 1º termo da sucessão ser a0, a1, a2 ou outro termo qualquer. Generalização do teorema: Inserir ou remover um número finito de termos numa série convergente não altera a convergência da nova série assim obtida que convergirá para um valor diferente daquele para que converge a série original. Inserir ou remover um número finito de termos numa série divergente não altera a divergência da nova série assim obtida. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 6
  • 7. Estudo de séries directamente a partir da definição A aplicação directa da definição de série convergente Exprimir Sn sob a “forma fechada” Séries telescópicas (ou de Mengoli) são séries cujo termo geral ar pode ser escrito como uma diferença de dois termos de outra sucessão {br}, em que a “distância” entre esses dois termos (isto é, a diferença dos seus índices) é constante, ou seja: ar = br + k − br ou ar = br − br + k com k ∈ IN Exemplo em q a r = b r +1 − b r e a série “começa em r = 1” p que ç def n n n n Sn ≡ ∑ ar = ∑ (br +1 − br ) = ∑ br +1 − ∑ br = r =1 r =1 r =1 r =1 = ( b2 + b3 + + bn −1 + bn + bn +1 ) − ( b1 + b2 + b3 + + bn −1 + bn ) = = bn +1 − b1 def então S ≡ lim S n = ( lim bn +1 ) − b1 = ( lim bn ) − b1 n →∞ n →∞ n →∞ Portanto esta série convergirá se e só se existir lim bn n →∞ FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 7
  • 8. Estudo de séries directamente a partir da definição Séries telescópicas (ou de Mengoli) Exemplo em que ar = br − br + 2 e a série “começa em r = 0” def n n n n Sn ≡ ∑ ar = ∑ (br − br + 2 ) = ∑ br − ∑ br + 2 = r =0 r =0 r =0 r =0 = ( b0 + b1 + b2 + b3 + + bn ) − ( b2 + b3 + + bn + bn +1 + bn + 2 ) = = b0 + b1 − (bn +1 + bn + 2 ) então tã def S ≡ lim S n = b0 + b1 − lim (bn +1 + bn + 2 ) = b0 + b1 − 2 lim bn n →∞ n →∞ n →∞ Portanto esta série convergirá se e só se existir lim bn n→∞ Exemplo ∞ Estudar a convergência da série ∑ ( 21 r +1 − 21 r ) telescópica r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 8
  • 9. Estudo de séries directamente a partir da definição Séries geométricas Uma série é uma série geométrica se cada termo depois do primeiro for um múltiplo fixo do termo precedente, isto é, se ar +1 = k ar , ∀r ≥ 0 O número k chama-se razão da série geométrica. Uma série geométrica é a série que está associada a uma “progressão” geométrica do tipo: progressão a 0 , a0 k , a0 k 2 , a0 k 3 , Representando o termo inicial da série geométrica por a0, vem que: ∞ ∑ a 0 k r = a0 + a 0 k + a 0 k 2 + a0 k 3 + , com a0 , k ∈ IR r =0 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 9
  • 10. Estudo de séries directamente a partir da definição Séries geométricas Obtenção da “fórmula fechada” para a soma parcial de ordem n: Caso em que k = 1 k = 1 ⇒ S n = a0 + a0 + a 0 + + a0 = ( n + 1) a0 ⇒ ⇒ lim S n = lim ( n + 1) a0 = ± ∞ ⇒ a série é divergente n→∞ n→∞ k = −1 ⇒ {S n } = {a0 , 0, a0 , 0, a0 , }⇒ ⇒ lim S n não existe e portanto a série é divergente existe, n →∞ Caso em que k ≠ 1 n S n = ∑ a 0 k r = a 0 + a0 k + + a0 k n r =0 kS n = a0 k + a0 k 2 + + a0 k n + a0 k n +1 a0 S n − k S n = a 0 − a0 k n +1 ⇒ S n (1 − k ) = a0 (1 − k n +1 ) ⇒ Sn = (1 − k n +1 ) 1− k FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 10
  • 11. Estudo de séries directamente a partir da definição Séries geométricas A “fórmula fechada” para a soma parcial de ordem n quando k ≠ 1 a0 Sn = (1 − k n +1 ) 1− k Aplicando a definição de série convergente, conclui-se o seguinte: Se k > 1, lim k n +1 não existe ⇒ lim S n não existe, e a série é divergente n →∞ n →∞ S k < 1, lim k n +1 = 0 ⇒ lim S n = a0 , e a série converge: Se éi n→∞ n→∞ 1− k ∞ a0 ∑ a0 k r = 1− k , sse k < 1 r =0 ∞ r ∞ r ∞ r ⎛1⎞ ⎛1⎞ ⎛ e⎞ Exemplos ∑ ⎜ ⎟ ⎝π ⎠ ∑ ⎜ ⎟ ⎝π ⎠ ∑ ⎜− ⎟ ⎝ 2⎠ r =0 r =1 r =0 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 11
  • 12. Estudo de séries directamente a partir da definição Séries geométricas Exemplo de aplicação: Racionalizar na forma irredutível a dízima periódica infinita 0.33333 ...... Exemplo de aplicação: Diz-se que uma bola elástica tem um coeficiente de restituição r, com 0 < r < 1, se a bola ressaltar até à altura rh depois de ter sido deixada cair da altura h. Supondo que a b l é d i d cair d S d bola deixada i de uma altura inicial a (ver figura junta) e depois ressalta infinitas vezes até parar, mostre que a distância total percorrida pela bola é finita, sendo dada por: 1+ r D=a 1− r FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 12
  • 13. Séries de termos não-negativos Se o termo geral de uma série for não-negativo, a correspondente sucessão das somas parciais é obrigatoriamente crescente: an ≥ 0, ∀n ∈ IN ⇔ S n − S n −1 ≡ an ≥ 0 ⇔ S n ≥ S n −1 ⇔ {S n } é crescente Existem apenas duas possibilidades para este tipo de séries, a saber: 1ª hipótese: {Sn} é crescente e limitada ⇒ ∞ ⇒ ∑ ar converge para sup {Sn} r =1 2ª hipótese: {Sn} é crescente mas não-limitada ⇒ ∞ ⇒ ∑ ar diverge para ∞ r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 13
  • 14. Séries de termos não-negativos Não existe nenhum teste universal de convergência para séries de termos não-negativos; No entanto existem vários testes de convergência que, sem serem universais, permitem resolver o problema da convergência das séries de termos não-negativos na maior parte dos casos de interesse prático. Desses testes, vamos estudar apenas os cinco mais importantes: 1. Teste de comparação directa 2. Forma limite do teste de comparação 3. Teste da razão (ou de d'Alembert) 4. Teste da raíz 5. Teste do integral (ou de Cauchy) FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 14
  • 15. Séries de termos não-negativos O teste de comparação directa pode ser utilizado para mostrar a convergência ou a divergência de séries de termos não-negativos: Teorema (Teste de comparação directa) Suponhamos que 0 ≤ ar ≤ br , ∀r ≥ r * então: ∞ ∞ ∑ br converge ⇒ ∑ ar também converge r =1 r =1 ∞ ∞ ∑ ar diverge ⇒ ∑ br também diverge r =1 r =1 Estes resultados são igualmente válidos se as duas séries “começarem em r = 0”, ou em qualquer número inteiro positivo. Se se pretender testar convergência utiliza-se br (o termo “maior”) como termo de comparação Se se pretender testar divergência utiliza-se ar (o termo “menor”) como termo de comparação ∞ ∞ Se 0 ≤ ar ≤ br e ∑ br divergir ou ∑ ar convergir r =1 r =1 nada se pode concluir acerca da outra série FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 15
  • 16. Séries de termos não-negativos Teste de comparação directa Exemplo Utilize o teste de comparação directa para mostrar que a série ∞ sen 2 r ∑ 2r + r 2 r =1 é convergente. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 16
  • 17. Séries de termos não-negativos Forma limite do teste de comparação Teorema (Forma limite do teste de comparação) ar Suponhamos que ar > 0 e br > 0, ∀r ≥ r * e seja L = lim então: r →∞ br ∞ ∞ L>0 ⇒ ∑ br e ∑ ar convergem ambas ou divergem ambas r =1 r =1 ∞ ∞ L=0 e ∑ br convergir ⇒ ∑ ar também converge r =1 r =1 ∞ ∞ L=0 e ∑ br d eg divergir ⇒ ∑ ar também diverge r =1 r =1 Neste caso fazemos uma comparação indirecta entre duas séries, isto é, utilizamos o cálculo do limite L para fazer a comparação entre duas séries. A série de termo geral ar é aquela cuja convergência estamos a estudar, e a série de termo geral br é uma série conhecida, que é usada como termo de comparação Escolha de br : inspeccionar o termo geral ar da série que estamos a estudar, e verificar qual é a “parte dominante” de ar quando r se torna muito grande. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 17
  • 18. Séries de termos não-negativos Forma limite do teste de comparação Exemplo Utilize a forma limite do teste de comparação para mostrar que a série ∞ 5 ∑ 3r − 1 r =1 é convergente. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 18
  • 19. Séries de termos não-negativos Teste da razão (ou de D’Alembert) Teorema (Teste da razão, ou de D’Alembert) Suponhamos que ar > 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim ar +1 então: r →∞ a r ∞ 0 ≤ ρ <1 ⇒ ∑ ar converge r =1 ∞ ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒ ∑ ar diverge r =1 ρ = 1 este teste é inconclusivo, excepto se ar +1 > ar , ∀r ≥ r ** caso em que a série diverge, pois rlim ar ≠ 0 →∞ O teste da razão é, em geral, o teste mais indicado para séries cujo termo geral inclua factoriais. Definição de factorial def + ( r + 1)! ≡ ( r + 1) r! , ∀r ∈ Z 0 def 0! ≡ 1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 19
  • 20. Séries de termos não-negativos Teste da razão (ou de D’Alembert) Exemplo Utilize o teste da razão para estudar a convergência da série ∞ rr ∑ r! r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 20
  • 21. Séries de termos não-negativos Teste da raiz Teorema (Teste da raiz) Suponhamos que ar > 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim r ar então: r →∞ ∞ 0 ≤ ρ <1 ⇒ ∑ ar converge r =1 ∞ ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒ ∑ ar diverge r =1 ρ = 1 este teste é i t t t inconclusivo, excepto se l i t r ar > 1 , ∀r ≥ r ** caso em que a série diverge, pois rlim ar ≠ 0 →∞ O teste da razão e o teste da raiz estão intimamente relacionados, como se pode concluir do seguinte teorema: Teorema ar +1 lim = ρ ⇒ lim r ar = ρ r →∞ ar r →∞ É aconselhável começar por tentar utilizar o teste da razão, por ser o mais fácil de aplicar. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 21
  • 22. Séries de termos não-negativos Exemplo Estude a convergência da série ∞ r ∑ 5r r =1 pelo teste da razão e pelo teste da raiz. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 22
  • 23. Séries de termos não-negativos Teste do integral (ou de Cauchy) O teste do integral permite relacionar a convergência de séries de termos positivos com a convergência de integrais impróprios do 1º tipo: Teorema (Teste do integral, ou de Cauchy) Suponhamos que ar > 0 e ar +1 < ar , ∀r ≥ r * e seja, f (x) uma função positiva, decrescente e integrável em [1, ∞ [, tal que f ( x) = ar , ∀r ∈ IN então: ∞ ∞ ∑ ar converge sse ∫1 f ( x) dx convergir r =1 Generalizando, se a série não “começar em r = 1”, vem: ∞ ∞ ∑ ar converge sse ∫k f ( x) dx convergir + ∀k ∈ Z 0 r =k FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 23
  • 24. Séries de termos não-negativos Teste do integral (ou de Cauchy) Para demonstrar este teorema, comecemos por mostrar que o integral impróprio do 1º tipo pode sempre ser escrito como uma série infinita de números reais: ∞ = ∑⎛∫ f ( x ) dx ⎞ ∞ 2 3 r +1 ∫1 f ( x ) dx = ∫ f ( x) dx + ∫ f ( x) dx + 1 2 ⎜ r r =1 ⎝ ⎟ ⎠ r +1 r +1 f ( r + 1) < ∫ f ( x) dx < f ( r ) ⇔ ar +1 < ∫ f ( x ) dx < ar r r Aplicando o teste de comparação àquela dupla desigualdade, conclui-se que ∞ a série ∑ ar e o integral ∞ r =1 ∫1 f ( x ) dx ou convergem ambos ou divergem ambos FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 24
  • 25. Séries de termos não-negativos Teste do integral (ou de Cauchy) Exemplo Utilize o teste do integral para estudar a convergência das séries ∞ ∞ 1 1 ∑ r ∑ r2 r =1 r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 25
  • 26. Séries de termos não-negativos As séries dos “pp” (ou de Riemann) são frequentemente utilizadas como termo de comparação ao estudar a convergência de outras séries. ∞ 1 1 1 Definição ∑ rp =1+ p + p + 2 3 , com p ∈ IR r =1 1 Se p ≤ 0 ⇒ lim p ≠ 0 ⇒ que a série diverge r →∞ r 1 Se p > 0 ⇒ lim p = 0 ⇒ que a série pode convergir ou r →∞ r divergir 1 Aplicando directamente o teste do integral, com f ( x) = definida em [1, ∞ [: rp ∞ Como o ∫1 f ( x) dx converge sse p > 1, concluímos pelo teste do integral que: A série dos “pp” (ou de Riemann) converge sse p > 1 ∞ 1 1 1 1 Se p = 1, temos a série harmónica ∑ r =1+ 2 + 3 + 4 + que diverge. r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 26
  • 27. Séries de termos não-negativos Estimativa do resto a partir do teste do integral Definição de resto de ordem n duma série convergente para S def ∞ Rn ≡ S − S n = an +1 + an+ 2 + = ∑ ar r = n +1 Se o teste do integral puder ser aplicado a esta série convergente, não é difícil obter uma estimativa do resto Rn. De facto, como vimos acima: r +1 r ar +1 < ∫ f ( x) dx < ar ∧ ar < ∫ f ( x) dx < ar −1 ⇒ r r −1 r +1 ∞ r +1 ∞ ∞ ∑ ∫r ∑ ar < ∑ ∫r −1 f ( x) r r ∫r f ( x) dx < ar < ∫r −1 f ( x) dx ⇒ r = n +1 f ( x ) dx < r = n +1 r = n +1 dx ⇒ ∞ ∞ ∫n+1 f ( x) dx < Rn < ∫n f ( x) dx estimativa do resto Rn ∞ ∞ Sn + ∫n+1 f ( x) dx < S < S n + ∫n f ( x ) dx estimativa da soma da série FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 27
  • 28. Séries de termos não-negativos Estimativa do resto a partir do teste do integral Exemplo Calcular a soma da série dos “pp” ∞ 1 ∑ r3 r =1 com erro inferior a 0.005. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 28
  • 29. Séries de termos não-positivos Se o termo geral de uma série for não-positivo, a correspondente sucessão das somas parciais é obrigatoriamente decrescente: an ≤ 0, ∀n ∈ IN ⇔ S n − S n −1 ≡ an ≤ 0 ⇔ S n ≤ S n −1 ⇔ {S n } é decrescente Temos então apenas duas possibilidades para este tipo de séries, a saber: 1ª hipótese: {Sn} é decrescente e limitada ⇒ ∞ ⇒ ∑ ar converge para inf {Sn} r =1 2ª hipótese: {Sn} é decrescente mas não-limitada ⇒ ∞ ⇒ ∑ ar diverge para -∞ r =1 ∞ ∞ Como ∑ ar ≡ − ∑ ( − ar ) , se a série de termos não-negativos convergir r =1 r =1 para S, a correspondente série de termos não- positivos (isto é, a série simétrica da série dada) converge obrigatoriamente para - S FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 29
  • 30. Séries alternadas Séries alternadas são séries cujos termos são alternadamente positivos e negativos são particularmente importantes nas aplicações práticas. Os testes de convergência que estudámos atrás para séries de termos não-negativos não podem ser aplicados directamente a estas séries é necessário recorrer a outro teorema para estudar a convergência destas séries. Teorema (Teste das séries alternadas, ou de Leibniz) Seja { ar } uma sucessão de termos positivos tais que: ( i ) ar +1 < ar , ∀r ≥ r * ( ii ) lim ar = 0 r →∞ então as duas séries alternadas associadas a { ar } ∞ ∑ (−1) r +1 ar = a1 − a2 + a3 − r =1 ∞ e ∑ (−1) r ar = −a1 + a2 − a3 + r =1 são ambas convergentes. Se a 1ª condição não for satisfeita, a série alternada pode convergir ou divergir. Se a 2ª condição não for satisfeita, podemos concluir que a série alternada em causa é obrigatoriamente divergente. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 30
  • 31. Séries alternadas Exemplo Estude a convergência da série harmónica alternada ∞ ( −1) r +1 ∑ r r =1 e da série alternada ∞ ( −1) r +1 ( r + 3) ∑ r +1 r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 31
  • 32. Estimativa do resto de séries alternadas convergentes Resto de ordem n def ∞ def ∞ Rn ≡ S − S n = ∑ (−1) r +1 ar ou Rn ≡ S − S n = ∑ (−1) r ar r = n +1 r = n +1 Para uma série alternada convergente é sempre possível obter uma estimativa tão precisa quanto se quiser do valor absoluto de Rn e/ou da soma da série: Teorema O valor absoluto do resto de ordem n de uma série alternada convergente é menor do que o valor absoluto do primeiro termo “desprezado” no cálculo de Sn : 0 < Rn < an +1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 32
  • 33. Séries alternadas r ar Sn Exemplo 1 1 1 2 0.5 0.5 Calcular a soma da série harmónica alternada 3 0.333333 0.83333333 ∞ ( −1) r +1 4 0.25 0.58333333 ∑ r 5 0.2 0.78333333 r =1 6 0.166667 0.61666667 7 0.142857 0.75952381 com erro inferior a 0.1. 8 0.125 0.63452381 9 0.111111 0.74563492 10 0.1 0.64563492 Quando estudarmos a representação de funções por meio de séries de potências: ∞ ( −1) r +1 ∑ r = ln 2 = 0.6931471805 ..... r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 33
  • 34. Séries de termos positivos e negativos ∞ ∞ ∑ ar ∑ ar r =1 r =1 série dos valores absolutos Se ar ≥ 0, as duas séries são coincidentes. Se ar ≤ 0, as duas séries são simétricas. ∞ Se ∑ ar for uma série de termos positivos e negativos, a correspondente série dos valores absolutos será uma r =1 série completamente distinta da série original. Convergência absoluta e convergência condicional Como |ar |≥ 0, ∀r, a convergência da série dos valores absolutos pode sempre ser analisada recorrendo aos cinco testes de convergência atrás estudados. Teorema (Teste da convergência absoluta) ∞ ∞ Se ∑ ar converge ⇒ ∑ ar converge r =1 r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 34
  • 35. Séries de termos positivos e negativos Podemos classificar as séries de termos positivos e negativos da seguinte forma: ∞ ∞ ∑ ar ∑ ar Tipo de convergência r =1 r =1 absolutamente convergente convergente convergente condicionalmente convergente divergente convergente divergente divergente divergente Para séries de termos positivos e negativos, os conceitos de “absolutamente convergente”, “condicionalmente convergente” e “divergente”, são mutuamente exclusivos: apenas uma destas três possibilidades poderá ser verdadeira. Qualquer série convergente de termos não-negativos pode gerar infinitas séries de termos positivos e negativos que são absolutamente convergentes: basta para tal inserir sinais “menos” à sorte em qualquer ponto da série dada. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 35
  • 36. Séries de termos positivos e negativos Testes de convergência absoluta Teorema (Teste da razão para convergência absoluta) Suponhamos que ar ≠ 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim ar +1 então: r →∞ ar ∞ 0 ≤ ρ <1 ⇒ ∑ ar converge absolutamente r =1 ∞ ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒ ∑ ar diverge r =1 ρ = 1 este teste é inconclusivo Teorema (Teste da raiz para convergência absoluta) Suponhamos que ar ≠ 0 , ∀r ≥ r * e seja ρ = lim r ar então: r →∞ ∞ 0 ≤ ρ <1 ⇒ ∑ ar converge absolutamente r =1 ∞ ρ >1 ∨ ρ = ∞ ⇒ ∑ ar diverge r =1 ρ = 1 este teste é inconclusivo FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 36
  • 37. Séries de termos positivos e negativos Exemplo Analise a convergência da série ∞ ( −1) r 2 r ∑ r! r =1 FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 37
  • 38. Séries de termos positivos e negativos Rearranjo dos termos de uma série Definição Uma sucessão de números reais {bn} diz-se um rearranjo de uma outra sucessão {an}, quando a sucessão {bn} contiver todos os termos da sucessão original {an}, mas colocados por uma ordem diferente. Ao rearranjarmos a sucessão {an}, transformando-a na sucessão {bn}, ∞ também a correspondente série ∑ ar será rearranjada, transformando-se ∞ numa nova série ∑ br r =1 r =1 Em princípio, se as duas séries forem ambas convergentes, elas poderão convergir para valores diferentes, pois por definição tem-se que: ∞ def def ∞ def def ∑ ar ≡ lim S n ≡ lim ( a1 + a2 + n →∞ n →∞ + an ) ∑ br ≡ lim S n ≡ lim ( b1 + b2 + n→∞ n→∞ + bn ) r =1 r =1 Nada nos garante que estes dois limites sejam iguais. FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 38
  • 39. Séries de termos positivos e negativos Testes de convergência absoluta As séries absolutamente convergentes e as condicionalmente convergentes têm um comportamento distinto no que concerne ao rearranjo dos seus termos: Teorema (Rearranjo das séries absolutamente convergentes) ∞ Se série ∑ ar for absolutamente convergente para S, e se {bn} for um rearranjo r =1 ∞ qualquer de {an}, a série ∑ br também é absolutamente convergente para S. r =1 Ou seja, podemos alterar à vontade a ordem dos termos de uma série absolutamente convergente, pois este t b l t t t i t teorema garante-nos que ela continua a t l ti ser absolutamente convergente para o mesmo número. Teorema (Rearranjo das séries condicionalmente convergentes) ∞ Se série ∑ ar for condicionalmente convergente para S, existe um rearranjo r =1 ∞ {bn} de {an}, tal que a série ∑ br converge para T, ∀T ∈ IR. r =1 Neste caso, portanto, já não é válido alterar a ordem dos termos da série, pois se o fizermos ela poderá convergir para um valor diferente (ou até divergir!). FEUP / MIEQ Joana Peres / Análise Matemática I 39