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. 1. Cálculo III Elvézio e Janina Seqüências De um modo geral, podemos dizer que seqüência é uma função cujo domínio é o conjunto dos inteiros positivos. Os elementos das seqüências são os números na imagem da função. Seqüências podem ser finitas ou infinitas, conforme o número de termos que possuam sejam limitados ou ilimitados, respectivamente. 1. Termos de uma Seqüência Algumas seqüências são dadas por regras ou leis matemáticas chamadas de leis de formação, que possibilitam explicitar todos os seus termos. • Exemplo 01: Determine o termo an , chamado termo geral, na seqüência dos números quadrados perfeitos (1, 4, 9, 16, 25, ...): Resolução: Podemos observar que a seqüência acima pode ser escrita como: 12, 22, 32, 42, 52, .... Assim, a generalização da seqüência é an = n2, para todo n N∗∈ . • Exemplo 02: Calcule a soma (a2 + a5) para a seqüência cujo termo geral é dado por nn n 2 a ( 1) . n 1 + = − + : Resolução: Cálculo de a2 : 22 2 2 4( 1) . 2 1 3 a + = − = + Cálculo de a5: 55 5 2 7( 1) . 5 1 6 a + = − = − + Logo, a2 + a5 = 4 7 8 7 1 3 6 6 6 − + − = = Universidade Católica Dom Bosco CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL III ENGENHARIAS − Elvézio e Janina . 2. Cálculo III Elvézio e Janina Exercícios Propostos: 1. Determine o termo geral da seqüência: a) K, 5 4 , 4 3 , 3 2 , 2 1 b) K, 16 1 , 8 1 , 4 1 , 2 1 c) K, 5 4 , 4 3 , 3 2 , 2 1 −− d) K,7,5,3,1 2. Considere a seqüência cujo termo geral é ( ) ( )32 nn6n53 3 1 nf −+−= . Calcule os três primeiros termos e faça uma conjectura sobre o quarto termo. Verifique a sua conjectura calculando o quarto termo. Que mensagem isso traz? Obs. Se uma seqüência possui um padrão definido, é fácil gerar termos adicionais se admitirmos que esses termos seguem o mesmo padrão que os termos dispostos. No entanto, tais padrões podem ser ilusórios, assim sendo é melhor ter uma regra ou fórmula para gerar os termos. Uma fazer isso é procurar por uma função que relacione cada termo da seqüência ao número de sua posição 2. Notações Seqüências podem ser denotadas de distintas formas. Algumas delas são: • Conjunto de termos separados por vírgula: ,... 9 4 , 7 3 , 5 2 , 3 1 • Na forma geral {f(n)}, em que f(n) constitui a expressão do termo geral da seqüência, como, por exemplo: +12n n . • Na forma an =n/(2n+1), em que an representa o termo geral da seqüência. 3. Visualização geométrica de uma Seqüência A seqüência pode ser visualizada, geometricamente, de duas maneiras: • através de uma reta orientada e graduada onde se colocam os valores dos elementos da imagem somente: 1/3 2/5 3/7 4/9 f(n) 0 1/4 1/2 1 . 3. Cálculo III Elvézio e Janina • através de um par de eixos cartesianos, tal como uma função, representada por pares ordenados na forma {n, f(n)}: f(n) 1/2 3/7 1/3 1 2 3 4 5 6 7 n 4. Limite de uma Seqüência Observando o gráfico cartesiano acima, que representa a seqüência ,... 9 4 , 7 3 , 5 2 , 3 1 . não é difícil perceber que os termos da seqüência vão chegando cada vez mais perto do valor ½ conforme o valor de n aumenta. Dizemos, então, que a seqüência converge para ½ ou que ela tem limite igual a ½ . Uma seqüência que não tem limite ou que tem o infinito como limite é dita divergente. Assim, uma seqüência não-convergente é, necessariamente, divergente. • Exemplo 03: nna 2= é uma seqüência divergente, pois os termos crescem indefinidamente com o aumento de n. Assim, temos: ∞= ∞→ n n 2lim . Portanto, a seqüência é divergente. Algumas seqüências são oscilantes mas não convergem para um valor finito; neste caso, elas se classificam como divergentes. Outras são oscilantes mas tendem para um valor finito; essas são convergentes. • Propriedades de Limites Suponhamos que as seqüências { }na e { }nb convirjam respectivamente para 1L e 2L e seja c uma constante. Então: - cclim n = ∞→ - 1nnnn Lcalimcaclim ⋅=⋅=⋅ ∞→∞→ . 4. Cálculo III Elvézio e Janina - ( ) 21nnnnnnn LLblimalimbalim ±=±=± ∞→∞→∞→ - ( ) 21nnnnnnn LLblimalimbalim ⋅=⋅=⋅ ∞→∞→∞→ - 2 1 nn nn n n n L L blim alim b alim == ∞→ ∞→ ∞→ , com 0L2 ≠ • Exemplo 04: ( ) ,...1,1,1,1,1,11a nn +−+−+−=−= é divergente, pois oscila sem convergir. • Exemplo 05: ( ) ,... 720 1 , 120 1 , 24 1 , 6 1 , 2 1 , 1 1 ! 1 +−+−+−= − = n a n n Observemos os termos dessa seqüência: o denominador aumenta sem limite enquanto o numerador permanece limitado, conforme n cresce. Assim, embora oscilem entre valores positivos e negativos, os termos aproximam-se, cada vez mais, de zero. Podemos, portanto, escrever: ( ) 0 ! 1lim =− ∞→ n n n . Exercícios Propostos: 3. Em cada caso, determine se a seqüência converge ou diverge. Se convergir, ache o limite: a) ( )nn 13a −+= b) n23 n an + = c) n n n 21 32 a − + = d) ( ) 2n5 n31a nn − −= e) ( ) n 31a nn −= f) n35an −= g) KK , 2 1 ,, 16 1 , 8 1 , 4 1 , 2 1 ,1 n h) KK ,2,,16,8,4,2,1 n . 5. Cálculo III Elvézio e Janina Sem o conhecimento específico do termo de ordem n de uma seqüência, não é possível determinar a convergência ou divergência da mesma, o conhecimento dos primeiros termos não é suficiente. • Exemplo 06: KK , 2 1 ,, 16 1 , 8 1 , 4 1 , 2 1 a nn = ( )( ) KK ,6nn1n 6 ,, 15 1 , 8 1 , 4 1 , 2 1 a 2n +−+ = KK , 18n25n9 3n3n ,, 62 7 , 8 1 , 4 1 , 2 1 a 2 2 n +− +− = ( )( ) ( ) KK ,2n3n6 4n1nn ,,0, 8 1 , 4 1 , 2 1 a 2n −+ −+− = Com base nos primeiros termos das seqüências acima, há muitos padrões possíveis para a fórmula do termo de ordem n. Em tal situação, lembre-se de que sua decisão quanto a convergência ou divergência da seqüência depende do conhecimento do termo de ordem n. Exercícios Propostos: 4. Determine o termo de ordem n da seqüência K, 120 31 , 24 15 , 6 7 , 2 3 , 1 1 −−− 5. Faz-se um depósito R$ 1.000,00 em uma aplicação que paga juros mensais de 0,5% ao mês. Determine uma seqüência que represente os saldos mensais. Observação: Não podemos aplicar diretamente a regra de l’Hôspital ∞ ∞ para funções que estão definidas somente nos inteiros positivos, pois não são funções diferenciáveis. Para contornar este problema, devemos substituir n por x e aí sim aplicar a regra de l’Hôspital. Exercícios Propostos: 6. Determine o limite da seqüência nn e n a = . 7. Mostre que 1nlim n n = ∞→ . (Dica: alnea = ) . 6. Cálculo III Elvézio e Janina • Teorema Uma seqüência converge para um limite L se e somentese as subseqüências dos termos de posição par e ímpar convergem ambas para L. • Exemplo 07: K, 3 1 , 2 1 , 3 1 , 2 1 , 3 1 , 2 1 3322 é uma seqüência convergente, pois a subseqüência dos termos pares converge a zero e a subseqüência dos termos ímpares também converge a zero. • Exemplo 08: K, 5 1 ,1, 4 1 ,1, 3 1 ,1, 2 1 ,1 é uma seqüência divergente, pois a subseqüência dos termos pares converge a zero e a subseqüência dos termos ímpares converge a um. • Teorema do Confronto para Seqüências Sejam { }na , { }nb e { }nc seqüências, tais que nnn cba ≤≤ (para todos os valores de n acima de algum índice N). Se as seqüências { }na e { }nc tiverem um limite comum L quando ∞→n , então { }nb também terá o limite L quando ∞→n . • Exemplo 09: Use uma evidência numérica para fazer uma conjectura sobre o limite da seqüência nn n !n a = quando ∞→n . Resolução: A partir do termo geral { }na , podemos escrever os primeiros termos desta seqüência para fazer uma conjectura sobre o limite quando ∞→n . 1a1 = ; 22 21 a2 ⋅ ⋅ = ; 333 321 a3 ⋅⋅ ⋅⋅ = ; K ; nnnn n321 an L L ⋅⋅ ⋅⋅ = ; O termo geral pode ser rescrito como ⋅ ⋅ ⋅= nnn n32 n 1 an L L , de onde podemos ver que n 1 a0 n ≤≤ . Como os dois extremos da inequação têm limite tendendo a zero quando ∞→n , então o Teorema do Confronto para Seqüências afirma que 0an → quando quando ∞→n . . 7. Cálculo III Elvézio e Janina SEQUÊNCIAS MONOTÔNICAS 4.5. Terminologia Uma seqüência, {an}, é chamada: • Estritamente Crescente se .......321 <<<<< naaaa • Crescente se ......321 ≤≤≤≤≤ naaaa • Estritamente Decrescente se ......321 >>>>> naaaa • Decrescente se ......321 ≥≥≥≥≥ naaaa Uma seqüência estritamente crescente ou estritamente decrescente é chamada de estritamente monotônica (ou estritamente monótona) e uma seqüência crescente ou decrescente é chamada de monotônica (ou monótona). 4.6. Testes de Monotonicidade 4.6.1. Teste da Diferença: Se todo par de termos sucessivos, an e an+1, satisfazem à desigualdade: • 011 >−⇔< ++ nnnn aaaa , então a seqüência {an} é estritamente crescente. • 011 ≥−⇔≤ ++ nnnn aaaa , então a seqüência {an} é crescente. • 011 <−⇔> ++ nnnn aaaa , então a seqüência {an} é estritamente decrescente. • 011 ≤−⇔≥ ++ nnnn aaaa , então a seqüência {an} é decrescente. . 8. Cálculo III Elvézio e Janina Exemplo 10: Mostre que ,... 1n n ...,, 4 3 , 3 2 , 2 1 + é uma seqüência estritamente crescente. Resolução: Se 1+ = n n an , então 1)1( 1 1 ++ + =+ n n an . Portanto, pelo Teste da Diferença, temos )2)(1( 212 12 1 22 1 ++ −−++ = + − + + =−+ nn nnnn n n n n aa nn . Assim, 0)1n)(2n( 1 aa n1n >++ =−+ para )1n( ≥ . Como essa diferença é sempre positiva, para n≥1, então a seqüência é estritamente crescente Exercícios Propostos: 8. Use o teste da diferença para mostrar que a seqüência { }na dada é estritamente crescente ou estritamente decrescente. a) n 11an −= b) 1n4 n an − = c) 2n nna −= 4.6.2. Teste da Razão: Se todo par de termos sucessivos, an e an+1, satisfazem à desigualdade: • 111 >⇔< ++ n n nn a a aa , então a seqüência é estritamente crescente. • 111 ≥⇔≤ ++ n n nn a a aa , então a seqüência é crescente. • 111 <⇔> ++ n n nn a a aa , então a seqüência é estritamente decrescente. • 111 ≤⇔≥ ++ n n nn a a aa , então a seqüência é decrescente. . 9. Cálculo III Elvézio e Janina Exemplo 11: Resolva o exemplo anterior através do teste da razão. Resolução: Já sabemos, do exemplo anterior, que 1+ = n n an e 1)1( 1 1 ++ + =+ n n an . Efetuando a razão entre o termo de maior e o de menor ordem, temos: ( ) 1 2 12 )2( 1 1 2 1 2 22 1 > + ++ = + + = + + + = + nn nn nn n n n n n a a n n . Como o numerador da fração excede o seu denominador, então a fração será sempre maior do que 1 para n≥1 e a seqüência, portanto, é estritamente crescente. Exercícios Propostos: 9. Use o teste da razão para mostrar que a seqüência { }na dada é estritamente crescente ou estritamente decrescente. a) n n n 21 2 a + = b) ( )!n2 10 a n n = c) ( )2n n n 2 5 a = 4.6.3. Teste da Derivada: Seja ( )xf a função, com variável x contínua, correspondente à seqüência na . Derivando a função, para x≥1, temos: • ⇒> 0)(' xf seqüência estritamente crescente. • ⇒≥ 0)(' xf seqüência crescente. • ⇒< 0)(' xf seqüência estritamente decrescente. • ⇒≤ 0)(' xf seqüência decrescente. Exemplo 12: Use o teste da derivada para decidir se a seqüência 1+ = n n an é estritamente decrescente ou estritamente crescente:. . 10. Cálculo III Elvézio e Janina Resolução: Devemos associar à seqüência uma função. Podemos fazer isso substituindo n por x: 1 )( + = x x xf . Derivando, temos: 222 )1( 1 )1( 1 )1( )1()1(1)(' + = + −+ = + −+ = xx xx x xx xf . Como x≥1, então esta razão será sempre positiva e a seqüência, portanto, se classifica como estritamente crescente, pois, f´(x)>0, já que tanto o numerador, quanto o denominador, são positivos. Exercícios Propostos: 10. Use o teste da derivada para mostrar que a seqüência { }na dada é estritamente crescente ou estritamente decrescente. a) n 13an −= b) ntgan = c) n2n ena −⋅= 4.6.4. Propriedades válidas a partir de um certo termo: Se for descartado um número finito de termos do começo de uma seqüência e se a seqüência assim produzida tiver uma certa propriedade, então dizemos que a seqüência original tem essa propriedade a partir de um certo termo. Exemplo 13: Mostre que a seqüência ( )!n 10 a n n = é estritamente decrescente a partir de um certo termo. Resolução: Temos ( )!n 10 a n n = e ( )!1n 10 a 1n 1n + = + + , assim, ( ) ( )!n 10 !1n 10 a a n1n n 1n ÷ + = + + ⇒ ( ) ( ) n 1n n 1n 10 !n !1n 10 a a × + = + + ⇒ ( ) ( ) !n1n10 !n1010 a a n n n 1n ⋅+⋅ ⋅⋅ = + ( )1n 10 a a n 1n + = + para ser estritamente decrescente, a razão entre 1na + e na deve ser menor que 1, logo ( ) 11n 10 < + ⇒ 1n10 +< ⇒ n9 < o que nos leva a concluir que a seqüência é estritamente decrescente para 10n ≥ . . 11. Cálculo III Elvézio e Janina Exercícios Propostos: 11. Use qualquer teste para mostrar que a seqüência { }na dada é, a partir de certo termo, estritamente crescente ou estritamente decrescente. a) 23n n4na −= b) n 17 nan += c) n5n ena −⋅= 4.6.5. Uma visão intuitiva da convergência: De modo informal, a convergência ou divergência de uma seqüência não depende do comportamento de seus termos iniciais, mas em vez disso de como os termos irão se comportar a partir de um certo. Por exemplo, a seqüência K, 4 1 , 3 1 , 2 1 ,1,17,13,9,3 −− a partir de um certo termo comporta-se como a seqüência KK , n 1 ,, 4 1 , 3 1 , 2 1 ,1 e logo tem um limite zero. 4.6.6. Convergência de seqüências monótonas:• Teorema para decisão de convergência para funções crescentes Se uma seqüência { }na for crescente a partir de um certo termo, então existem duas possibilidades: (a) Existe uma constante M, chamada de cota superior para a seqüência, tal que Man ≤ para todo n a partir de um certo termo, e, neste caso, a seqüência converge a um limite L satisfazendo ML ≤ . (b) Não existe cota superior, e neste caso, +∞= +∞→ n n alim . • Teorema para decisão de convergência para funções decrescentes Se uma seqüência { }na for decrescente a partir de um certo termo, então existem duas possibilidades: (c) Existe uma constante M, chamada de cota inferior para a seqüência, tal que Man ≥ para todo n a partir de um certo termo, e, neste caso, a seqüência converge a um limite L satisfazendo ML ≥ . (d) Não existe cota inferior, e neste caso, −∞= +∞→ n n alim . Obs. Esses teoremas não fornecem o método para a obtenção dos limites, eles somente afirmam se o limite existe ou não. . 12. Cálculo III Elvézio e Janina Exemplo 14: Mostre que a seqüência ( )!n 10 a n n = converge e encontre o limite. Resolução: No exemplo anterior, pelo teste da razão, nós chegamos na seguinte igualdade ( )1n 10 a a n 1n + = + , isto é, ( ) n1n a1n 10 a × + =+ , onde ( )!n 10 a n n = . Portanto, =+ +∞→ 1n n alim ( ) = × ++∞→ nn a 1n 10lim ( ) nnn alim1n 10lim +∞→+∞→ × + entretanto, ( ) 01n 10lim n = ++∞→ logo, =+ +∞→ 1n n alim ( ) =× + +∞→+∞→ nnn alim 1n 10lim =× +∞→ n n alim0 portanto, 0alim 1n n =+ +∞→ e conseqüentemente, 0alim n n = +∞→ . 13. Cálculo III Elvézio e Janina Problemas para a seção ______________________________ 1. Determine o termo geral da seqüência: a) K, 27 1 , 9 1 , 3 1 ,1 b) K, 27 1 , 9 1 , 3 1 ,1 −− c) K, 8 7 , 6 5 , 4 3 , 2 1 d) ,...16,9,4,1 5432 pipipipi 2. (a) Escreva os quatro primeiros termos da seqüência ( ){ }n11 −+ , começando com n=0. (b) Escreva os quatro primeiros termos da seqüência ( ){ }pincos , começando com n=0. (c) Use os resultados nas partes (a) e (b) para expressar o termo geral da seqüência 4, 0, 4, 0, ... de duas formas diferentes, começando com n=0. 3. Determine se a seqüência converge ou diverge; se convergir, calcule seu limite: a) 2n n an + = b) 2an = c) n nln an = d) ( )nn 11a −+= e) ( ) 1n n21a 3 3 n n + −= f) ( )( )2n n2 2n1n a ++ = g) n 3 cosan = h) n2n ena −= 4. Para cada um dos itens abaixo, (a) ache o termo geral da seqüência, começando com n=1; (b) determine se a seqüência converge; (c) se isso acontecer, ache o limite. a) ,... 8 7 , 7 5 , 4 3 , 2 1 b) ,... 81 1 , 27 1 , 9 1 , 3 1 c) ,... 5 1 4 1 , 4 1 3 1 , 3 1 2 1 , 2 11 − − − − d) ( ) ( )( ) ( ),...54,43,32 −−− 5. Na função f dada por + =+ = 4 1)n(f.4)1n(f 1)0(f , em que n é um número natural, f(44) vale: . 14. Cálculo III Elvézio e Janina a) 5 43 b) 13 c) 4 45 d) 12 e) 15 6. Dada a seqüência finita (n2 – n), n∈ N e 1 ≤ n ≤ 5 a soma de seus termos é: a) 40 b) 20 c) 70 d) 35 e) 30 7. Seja a seqüência ai, cujo termo geral é ai é tal que a0 = -3, a1 = 0 e an+1 = 2.an – an-1, para todo n ∈ N e 1n ≥ . A soma dos 4 primeiros termos dessa seqüência é: a) 0 b) 3 c) 6 d) 9 e) 12 8. Considere a seqüência cujo termo geral é an = 2n – 1. Qual é o termo que tem seu valor entre 30 e 40? 9. Escreva a seqüência definida por = = − 3 a a 1a 1n n 1 , com n ∈ N* e n < 4: 10. Na sucessão (4, 2, 1, 2 1 , 4 1 , 8 1 , ...): a) calcule (a4 + a6) – a2; b) use um argumento lógico para decidir se a seqüência converge ou diverge. 11. Escreva a seqüência definida por an = (1 + n)n, e n ∈ N* e, usando um argumento lógico, decida se ela converge ou diverge. 12. Classifique a seqüência segundo sua monotonicidade usando o teste indicado: a) n 1 an = (teste da diferença) b) nn 2na −= (teste da diferença) c) 1n2 n an + = (teste da razão) d) !n n a n n = (teste da razão) e) 1n5 n3 an + = (teste da derivada) f) ( ) 2n 2nln an + + = (teste da derivada) 13. Use qualquer método para mostrar que a seqüência dada é, a partir de um certo termo, estritamente crescente ou estritamente decrescente. a) n7n2a 2n −= b) 10n n a 2n + = c) nn 3 !n a = . 15. Cálculo III Elvézio e Janina Respostas para os problemas da seção __________________ 1. a) 1n3 1 − b) ( )1n 1n 3 1 − − − c) n2 1n2 − d) ( )1n1 2n +pi 2. a) 0,2,0,2 b) 1,1,1,1 −− c) ( )( ) pi+−+ ncos22;112 n 3. a) converge para 1 b) converge para 2 c) converge para 0 d) diverge e) diverge f) converge para 2 1 g) converge para 1 h) converge para 0 4. a) n2 1n2 an − = ; converge para 1 b) nn 3 1 a = ; converge para 0 c) 1n 1 n 1 an + −= ; converge para 0 d) 2n1nan +−+= ; converge para 0 5. d) 12. a) estritamente decrescente b) estritamente decrescente c) estritamente crescente d) estritamente crescente e) estritamente crescente f) estritamente decrescente 13. a) estritamente crescente (determinar a partir de que termo) b) estritamente decrescente (determinar a partir de que termo) c) estritamente crescente (determinar a partir de que termo)
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