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�PAGE � �PAGE �16� SÉRIES NUMÉRICAS; UMA INTRODUÇÃO CEFET – Ba TEMA: Séries Numéricas Profa. Edmary Barreto Introdução Estritamente falando, a operação de adição só faz sentido quando aplicada a um par de números reais. Porém, devido à propriedade associativa em IR , podemos efetuar uma soma de 3, 4 , 5 , ...,100 ou mais números, sem incorrer em erros. Por exemplo, podemos obter a soma 2 + 3 + 7 como 2 + 3 + 7 = (2 +3) + 7 , ou então como 2 + 3 + 7 = 2 +(3 + 7), o resultado é o mesmo. Mas, como somar infinitos números, como obter a soma de infinitas parcelas ? No que se segue, vamos estender o conceito de adição para uma infinidade de números e definir o que significa tal soma. Chamaremos estas “somas infinitas” de séries. Breve Histórico Exemplos de somas infinitas surgiram há séculos. A fim de obter a área de um segmento parabólico, Arquimedes (( 250 a.C.) necessitou calcular a soma da progressão 1 + ¼ + (¼)2 + (¼)3 + ... = 4/3 . Embora seu cálculo não tenha sido feito por processos infinitos, que eram mal vistos em seu tempo, este foi um dos primeiros cálculos de somas infinitas. Por volta de 1350, utilizando “processos infinitos”, R. Suiseth (mais conhecido como Calculator) resolveu um problema sobre latitude de formas , equivalente matematicamente ao cálculo da soma (Calculator deu uma longa prova verbal, pois não conhecia representação gráfica) Nesta mesma época, N. Oresme (C. Boyer, pg. 182) deu a primeira prova que a chamada “série harmônica” é divergente, ou seja, , agrupando seus termos de modo conveniente, a saber: Como cada parcela entre parênteses é ( ½ , temos que a soma de todas as parcelas pode ser majorada por uma infinidade de parcelas iguais a ½ , que tem soma infinita. Outros avanços relacionados com séries foram obtidos (em 1668) por J. Gregory e N. Mercator , que trabalharam as chamadas “séries de potências de x” . Estas séries foram usadas para exprimirem funções conhecidas, como sen x, cos x, tg x, etc. Gregory utilizou que a área sob a curva é obtida através da função arctg x . Desse fato, concluiu que . Este resultado é conhecido como “série de Gregory” Por sua vez, Mercator usou que a área sob a hipérbole entre 0 e x é ln(1+x), para chegar à expressão (C. Boyer, pgs. 265, 266) ln(1+x) = , chamada hoje de “série de Mercator” . Em 1748, L. Euler publicou o texto Introductio in analysin infinitorum, em dois volumes. O primeiro deles versava sobre processos infinitos, entre os quais séries infinitas. Euler era pouco cuidadoso no uso de tais séries, e as manipulava arriscadamente. Usando a série da função sen z = z – z3/3 + z5/5! - ... e de artifícios engenhosos, Euler conseguiu resolver uma difícil questão que J. Bernoulli não tivera sucesso, a de obter a soma dos recíprocos dos quadrados perfeitos. Após alguns cálculos, Euler obteve que (C.Boyer pg 307). , e daí concluiu que Outros nomes ilustres no Sec. XIX compõem o cenário que trata da convergência das séries numéricas e das séries de funções, como Lagrange, Laplace, Dirichlet, Fourier, Cauchy, Bolzano e Weierstrass. A seguir trataremos desta questão. Séries Numéricas; O Conceito de Convergência Exemplos de somas infinitas surgem muito cedo, ainda no Ensino Fundamental, com o estudo das dízimas periódicas. Por exemplo, a soma 0,1 + 0,01 + 0,001 + .... = 0,111... pode ser interpretada como a soma de uma progressão geométrica (com infinitos termos) de razão , cuja soma é = (veremos mais tarde as séries geométricas com mais detalhes) De forma análoga, chamando por exemplo 0,333... = x temos 3, 333... = 10x . Subtraindo-se essas equações ficamos com 9x = 3, ou seja , x = 3/9 = 1/3 . Concluímos daí que Como pode ser visto no desenrolar da história das séries infinitas, encarar somas infinitas nos mesmos moldes das somas finitas, usando as propriedades das operações, pode nos levar a dificuldades e conclusões equivocadas. Vejamos os seguintes exemplos: A série de Grandi Considere a “soma” S = 1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1 + ..... Utilizando a propriedade associativa de forma conveniente, podemos obter os seguintes resultados S = (1 – 1) + ( 1 – 1) + ( 1 – 1) +.... = 0 S = 1 + (– 1 + 1) + ( – 1 + 1) + ( – 1 +1 ) + .... = 1 S = 1 – (1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1+ ...) ( S = 1 – S ( 2S = 1 ( S = ½ . Como decidir então? S = 0, 1 ou ½ ? O que acontece neste exemplo é que as operações que são válidas para somas finitas, como a associatividade, por exemplo, não são válidas em geral para somas infinitas. 2. O paradoxo de Zenão No século V A.C. Zenão ( ou Zeno de Eléia) apresentou o seguinte problema: “ Para se caminhar um quilômetro devemos caminhar primeiro meio quilômetro. Para caminhar este meio quilômetro devemos caminhar um quarto de quilômetro. Para caminhar este um quarto de quilômetro devemos antes caminhar um oitavo de quilômetro e assim indefinidamente”. Zenão colocou que este movimento era impossível pois sequer se iniciaria! A origem do paradoxo é que não podemos realizar um número infinito de tarefas num tempo finito. Mas o quilômetro permanece inalterado pela nossa decomposição em meio quilômetro, mais um quarto de quilômetro, mais um oitavo de quilômetro, etc...Assim, . Este resultado pode ser pensado como a soma de uma PG infinita de razão . ( ) . Logo ( Deduziremos esse resultado ) 3. A série harmônica A série harmônica é a série Os termos da série harmônica estão decrescendo e tendendo para zero. À primeira vista parece que a “soma” tende a um número finito. Hoje em dia, com o uso do computador, podemos fazer cálculos experimentais interessantes: Vamos supor que levamos 1 segundo para somar cada termo. Uma vez que o ano tem aproximadamente 31.557.600 segundos, neste período de tempo seríamos capazes de somar a série até n = 31.557.600, obtendo para a soma um valor pouco superior a 17. Em 10 anos a soma chegaria perto de 20. Em 100 anos, esta soma estaria a pouco mais de 22. Tudo leva a pensar que esta soma tende a um valor finito. No entanto, isto é falso! Esta série tem soma infinita. Vimos acima, na apresentação histórica, o argumento de Oresme. Para melhor compreender e trabalhar as questões aqui colocadas precisamos de um conceito consistente para a soma de um número infinito de números reais. Vamos introduzir a seguinte terminologia Voltemos à nossa dízima 0,111... = 0,1 + 0,01 + 0,001 +.... = Vamos considerar o valor da soma tomando um termo, dois termos, três termos, etc. Cada soma dessa é chamada de soma parcial e é termo de uma seqüência .......................................... A seqüência dos números s1, s2, s3, s4,....pode ser interpretada como uma seqüência de aproximações do valor de 1/9. À medida que tomamos mais termos da série infinita a aproximação fica melhor o que nos sugere que a soma desejada deve ser o limite dessa seqüência de aproximações. Para comprovar este fato vamos calcular o limite dessa seqüência, quando o número n de termos tomados tende a um número cada vez maior, isto é, n ( (. Temos que (I ) Vamos dar uma outra expressão para sn de modo a facilitar o cálculo do limite Multiplicando sn por obtemos (II ) Subtraindo agora ( I ) ( ( II ) ( Calculando agora que é o valor já esperado para a soma. No processo que fizemos no exemplo anterior, construímos uma seqüência de somas finitas e o limite dessa seqüência correspondeu ao valor da soma, uma vez que O exemplo acima motiva a definição mais geral do conceito de “soma” de uma série infinita. Consideremos a série e vamosformar uma seqüência de somas da seguinte maneira: s1 = a1 s2 = a1 + a2 s3 = a1 + a2 + a3 ........................... sn = a1 + a2 + a3 +...+an = sn-1 + an = A seqüência é chamada de seqüência das somas parciais da série e sn é chamado de n-ésima soma parcial . Quando n cresce, as somas parciais incluem mais e mais termos da série. Logo, se quando n ( +( a soma sn tender a um valor finito, podemos tomar este limite como sendo a soma de todos os termos da série . Mais formalmente, temos: Observações: Os símbolos a1 + a2 + a3 +...+ an + ….= tanto são usados para indicar uma série como a sua soma que é um número. Rigorosamente o símbolo só deveria indicar a série no caso dela convergir. O índice da soma de uma série infinita pode começar com n = 0, no lugar de n = 1. Neste caso consideramos a0 como o primeiro termo da série e so = ao a primeira soma parcial. Exemplos: 1) A série tem termo geral e seqüência das somas parciais é ( Existem técnicas para mostrar que e portanto a série diverge) 2) Consideremos as somas parciais s1 = 1 s2 = 1 – 1 = 0 s3 = 1 ( 1 + 1 = 1 s4 = 1 ( 1 + 1 ( 1 = 0 A seqüência das somas parciais é 1, 0, 1, 0, 1, 0, ... e portanto o limite não existe e a série diverge. 3) Dada a série , determine: Os quatro primeiros termos da série A seqüência das somas parciais Se a série é convergente. Solução: a) b) Tudo leva a crer que De fato: ................. c) Para analisarmos a convergência calculamos Logo, a soma da série é 4) O número e como soma de uma série Já vimos que o número e pode ser definido como = 2,718281828... Podemos também mostrar que a série Vamos avaliar algumas somas parciais s0= 1 s1 = 1 + 1 = 2 Observemos que desde a soma parcial s7 já temos precisão até a 4a casa decimal !! A Série Geométrica O nosso primeiro exemplo de série infinita 0,1 + 0,01 + 0,001 + .... é um caso particular de uma série especial, chamada série geométrica. Observação: A série geométrica também pode ser dada na forma , ou mais geralmente, Exemplos: 0,1 + 0,01+ 0,001 + 0,0001 + ... = é uma série geométrica de razão r = 1/10 e a = 1. 3 ( 3.2 + 3.22 ( 3.23 + 3.24 (..... = é uma série geométrica de razão r = (2 e a = 3 O resultado seguinte nos diz quando a série geométrica é convergente e quando é divergente Demonstração: 1) i) r = 1 Se r = 1 a série fica e portanto a n-ésima soma parcial é sn = (n+1)a e portanto ( o sinal depende de a ) e a série diverge. ii) r = –1 Se r = –1 a série fica . A seqüência das somas parciais nesse caso fica a, 0, a, 0, a, 0,..... e portanto a série diverge pois o limite de sn não existe. 2) Consideremos a seqüência das somas parciais : ( I ) ( II ) Subtraindo ( II ) de ( I ): . Logo, . Calculando o limite obtemos: Exemplo: Verifique se as seguintes séries geométricas são convergentes e em caso afirmativo determine a sua soma : 1) 2) 3) �� EMBED Equation.3 4) 5) 6) Alguns resultados importantes Observações: O resultado acima é também chamado de Critério do Termo Geral (CTG) para a convergência de série, ou condição necessária para a convergência de uma série. Se converge então . Através do resultado do limite do termo geral, podemos garantir a divergência de certas séries. Exemplo: diverge, pois . Como dito acima, se nada podemos afirmar sobre a série . Ela pode ou não convergir. Por exemplo, temos , mas a série diverge . 5. A convergência ou divergência de uma série não é afetada pela retirada ou o acréscimo de um número finito de termos. 6. Se converge, a série obtida de acrescentando-se ou suprimindo-se alguns termos também converge, mas para valor em geral diferente da soma . Por exemplo: a) As séries e são ambas convergentes, mas para valores diferentes. b) As séries e são ambas divergentes 7. Se e são duas séries convergindo a S e R respectivamente, então i) A série converge a S ( R. ii) A série converge a kS., k ( R iii) Se é convergente e é divergente, então é divergente. iv) Se é divergente e k , então é divergente. Observação: Se e são duas séries divergentes nada se pode afirmar sobre . Exemplo: As séries divergem e converge a 0. Exemplo: Verifique se as seguintes séries são convergentes ou divergentes. Em caso de convergência, calcule a soma: 1) ; 2) ; 3) ; 4) ; Referências Bibliográficas: O Cálculo com Geometria Analítica, vol II – Louis Leithold Cálculo – Um Novo Horizonte, vol II – Howard Anton Cálculo – vol II – James Stewart História da Matemática – Carl Boyer TEMA: Séries Numéricas: Critérios de Convergência Alguns Critérios de Convergência para Séries Numéricas Em geral é difícil decidir através do estudo das seqüências das somas parciais se uma série é convergente ou divergente, principalmente porque nem sempre é possível estabelecer uma expressão geral para sn. Vimos, até então, o caso da série geométrica, que sabemos através da sua razão se converge ou não e, no caso de convergir, qual é a sua soma. Calculamos também a soma de algumas séries em que a expressão de sn foi obtida com certa facilidade. Vamos estudar alguns testes ou critérios que nos permitem decidir sobre a convergência de uma série, mesmo que no caso da série ser convergente não possamos dizer o valor da sua soma. Neste caso, podemos aproximar a soma por uma soma parcial com termos suficientes para atingir o grau de precisão desejado. A p- série Vamos assumir sem demonstração o seguinte resultado Observações: A p-série é também chamada de série hiper-harmônica A série harmônica é um caso particular de uma p-série ( p = 1 ) e como já tínhamos colocado, diverge. O resultado acima pode ser demonstrado através de um critério chamado de Critério da Integral Exemplos 1) diverge ( p = 1 ) 2) A série converge ( p = 2 ) 3) A série diverge ( p = ½ ) II ) Teste da Comparação (TC) Dadas as séries e , an > 0; bn > 0 e an ( bn , (n, temos que Se converge então converge. Se diverge então diverge. Observações: Este teste é também chamado teste do confronto ou comparação simples Se an ( bn e diverge nada podemos afirmar sobre Se an ( bn e converge nada podemos afirmar sobre O teste também se aplica se temos an ( bn (n > no Vamos utilizar séries geométricas e p-séries para servirem de comparação Exemplo: Analise o comportamento das seguintes séries usando o teste da comparação simples 1) Solução: . Uma vez que diverge temos que também diverge 2) Solução: . Uma vez que a série converge temos que também converge. III) Séries Alternadas Exemplos: 1) 2) O resultado a seguir nos dá um teste para analisar a convergência das séries alternadas Observação: A desigualdade significa se uma série alternada satisfaz as hipóteses do Teste de Leibniz, o erro que resulta em aproximar S por sn é menor que o primeiro termo que não foi incluído na soma parcial Exemplo: Estude quanto à convergência as seguintes séries 1) ; Solução: i) ii) A seqüência é decrescente. A série portanto converge. Observemos que esta série é a série harmônica ( que diverge )alternada Se considerarmos, por exemplo, a soma = 0,58333.. o erro cometido é menor que a5 = 1/5 = 0,2 De fato, veremos mais tarde que esta série tem por soma ln2. Se calcularmos ln2 = 0,69314718... e tomarmos a diferença 0,69314718... ( 0,58333.... = 0,1098... que é menor que 0,2 Esta série não é uma boa série para aproximar ln2 pois a convergência é muito lenta. Só obtemos uma boa aproximação tomando um número muito grande de termos. 2) i) ; ii) Para mostrar que a seqüência é decrescente, consideramos a função e calculamos a sua derivada. < 0 o que garante que a função é decrescente para x > 2.. ( De fato: . O arco está no 1o quadrante e o cosseno é positivo ) IV) Os testes da Razão e da Raiz Para enunciar os testes da Razão e da Raiz vamos introduzir o conceito de séries absolutamente convergentes Analisando exemplos vistos anteriormente podemos observar que A série é convergente e a série é divergente A série é convergente e a série = também é convergente Temos a seguinte definição: Exemplos: A série é condicionalmente convergente A série é absolutamente convergente A série é condicionalmente convergente A série é absolutamente convergente Exemplo: Pelo resultado anterior podemos concluir que a série que não é de termos positivos nem alternada é convergente. Observações: Temos que ( converge. A recíproca não é verdadeira. convergir não implica que também converge. Exemplo: Se diverge nada podemos afirmar sobre . Pode convergir ou divergir. Se diverge podemos garantir que diverge pois, caso contrário, seria convergente. Observações: Os Testes da Razão e da Raiz são gerais podendo ser aplicados em qualquer série. Garantem a convergência absoluta ( k < 1 ) ou a divergência da série ( k >1 ). Tanto no Teste da Razão quanto no Teste da Raiz podemos concluir a divergência se os respectivos limites forem +( Se k = 1 no Teste da Razão então k = 1 no Teste da Raiz. Ou seja, se encontrarmos k = no Teste da Razão, não é mais necessário testar com o outro critério. Exemplo: Use os Testes da Razão ou a Raiz para analisar a convergência das seguintes séries: 1) Em geral quando a expressão do termo geral da série envolve fatorial o critério mais indicado é o da razão ( . Concluímos então que a série é convergente 2) Vamos usar o teste da raiz: . Portanto, a série diverge. Uma série infinita é uma expressão que pode ser escrita na forma � EMBED Equation.3 ��� onde os números a1, a2, a3, .... são chamados de termos da série e an de termo geral da série Seja � EMBED Equation.3 ���uma série dada e � EMBED Equation.3 ��� a sua seqüência de somas parciais.Se � EMBED Equation.3 ��� ( isto é, existe e é finito) dizemos que a série � EMBED Equation.3 ��� é convergente a S e que S é a sua soma.. Indicamos � EMBED Equation.3 ���= S. Caso contrário a série diverge e portanto não tem soma. Uma série do tipo � EMBED Equation.3 ���onde a ( 0 é chamada de série geométrica e o número r é chamado de razão da série. A série geométrica � EMBED Equation.3 ��� a ( 0 e r � EMBED Equation.3 ��� R Converge para � EMBED Equation.3 ��� se � EMBED Equation.3 ��� Diverge, se � EMBED Equation.3 ��� Teste da divergência Se � EMBED Equation.3 ��� então � EMBED Equation.3 ��� é divergente Se � EMBED Equation.3 ��� então � EMBED Equation.3 ���pode convergir ou divergir A p-série � EMBED Equation.3 ��� ( p > 0 ) converge se p > 1 diverge se 0 < p ( 1 Uma série alternada é uma série que se apresenta numa das formas � EMBED Equation.3 ��� an > 0; (n ou � EMBED Equation.3 ��� an > 0; (n Teste de Leibniz Se a série alternada � EMBED Equation.3 ��� (an > 0 ; (n ) é tal que i) � EMBED Equation.3 ��� ii) � EMBED Equation.3 ��� ( a seqüência é decrescente ) Então a série dada é convergente. Além disso se S é a soma da série temos que � EMBED Equation.3 ��� Dada a série � EMBED Equation.3 ��� temos que: Se a série � EMBED Equation.3 ��� converge dizemos que a série � EMBED Equation.3 ��� é absolutamente convergente Se a série � EMBED Equation.3 ��� converge e � EMBED Equation.3 ��� diverge dizemos que � EMBED Equation.3 ��� é condicionalmente convergente. Toda série absolutamente convergente é convergente, ou seja: se � EMBED Equation.3 ��� converge então � EMBED Equation.3 ��� também converge Teste da Razão para a Convergência Absoluta ( TRZ) Seja a série � EMBED Equation.3 ��� e considere o limite � EMBED Equation.3 ��� Se k < 1 a série � EMBED Equation.3 ��� é absolutamente convergente, logo convergente Se k > 1 ( ou () a série � EMBED Equation.3 ��� diverge Se k = 1 nada podemos concluir por este critério Teste da Raiz para a Convergência Absoluta ( TRI ) Seja a série � EMBED Equation.3 ��� e considere o limite � EMBED Equation.3 ��� Se k < 1 � EMBED Equation.3 ��� é absolutamente convergente, logo convergente Se k > 1 ( ou () a série � EMBED Equation.3 ���diverge Se k = 1 nada podemos concluir �PAGE � _1067029338.unknown _1067524303.unknown _1068454379.unknown _1099293613.unknown _1099293629.unknown _1099293639.unknown _1099293644.unknown _1099293646.unknown _1099293641.unknown _1099293635.unknown _1099293621.unknown _1099293627.unknown _1099293617.unknown _1099293597.unknown _1099293608.unknown _1099293610.unknown _1099293602.unknown _1099293584.unknown _1099293589.unknown _1099293592.unknown _1068454499.unknown _1099293581.unknown _1068454579.unknown _1068454391.unknown _1067664494.unknown _1067665514.unknown _1067666331.unknown _1067667412.unknown _1067667984.unknown _1068454351.unknown _1067668028.unknown _1067667731.unknown _1067666499.unknown _1067665986.unknown _1067666103.unknown _1067666165.unknown _1067666058.unknown _1067665526.unknown _1067664629.unknown _1067665336.unknown _1067665396.unknown _1067665031.unknown _1067664583.unknown _1067529746.unknown _1067529982.unknown _1067588588.unknown _1067588539.unknown _1067529815.unknown _1067528047.unknown _1067528385.unknown _1067525999.unknown _1067517773.unknown _1067522065.unknown _1067522156.unknown _1067522322.unknown _1067522075.unknown _1067520775.unknown _1067520779.unknown _1067520764.unknown _1067094948.unknown _1067095020.unknown _1067095080.unknown _1067095125.unknown _1067095673.unknown _1067095062.unknown _1067094973.unknown _1067094993.unknown _1067095015.unknown _1067094977.unknown _1067094969.unknown _1067094915.unknown _1067094929.unknown _1067094933.unknown _1067094940.unknown _1067094918.unknown _1067094923.unknown _1067030076.unknown _1067030077.unknown _1067094908.unknown _1067029364.unknown _1067029759.unknown _1067029343.unknown _1066810875.unknown _1066971515.unknown _1066971965.unknown _1066973970.unknown _1066977849.unknown _1067029334.unknown _1066974884.unknown _1066974980.unknown _1066974949.unknown _1066974772.unknown _1066974795.unknown _1066974050.unknown _1066972776.unknown _1066973605.unknown _1066973837.unknown _1066973123.unknown _1066971981.unknown _1066971666.unknown _1066971746.unknown _1066971594.unknown _1066811191.unknown _1066971350.unknown _1066971381.unknown _1066971161.unknown _1066810891.unknown _1066810958.unknown _1066810884.unknown_1040477968.unknown _1040479352.unknown _1041171767.unknown _1066806968.unknown _1066807214.unknown _1066808931.unknown _1066809964.unknown _1066807077.unknown _1041172941.unknown _1041173057.unknown _1041173529.unknown _1041254831.unknown _1066806893.unknown _1041252054.unknown _1041251861.unknown _1041173219.unknown _1041173255.unknown _1041173289.unknown _1041173072.unknown _1041173184.unknown _1041173023.unknown _1041172524.unknown _1041172558.unknown _1041171840.unknown _1041172140.unknown _1040481398.unknown _1040962683.unknown _1041166414.unknown _1041171646.unknown _1041171537.unknown _1040963711.unknown _1040879244.unknown _1040479445.unknown _1040480867.unknown _1040480815.unknown _1040479386.unknown _1040478552.unknown _1040479131.unknown _1040479319.unknown _1040478614.unknown _1040478753.unknown _1040478246.unknown _1040478313.unknown _1040478188.unknown _1040366204.unknown _1040476614.unknown _1040477495.unknown _1040477822.unknown _1040477578.unknown _1040477738.unknown _1040477539.unknown _1040477319.unknown _1040477363.unknown _1040476637.unknown _1040368460.unknown _1040368736.unknown _1040368776.unknown _1040368479.unknown _1040366302.unknown _1040368175.unknown _1040366265.unknown _1040365606.unknown _1040366014.unknown _1040366142.unknown _1040365770.unknown _1039935578.unknown _1040365595.unknown _1040364447.unknown _1039933698.unknown
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