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Marília Brasil Xavier
REITORA
Prof. Rubens Vilhena Fonseca
COORDENADOR GERAL DOS CURSOS DE MATEMÁTICA
MATERIAL DIDÁTICO
EDITORAÇÃO ELETRONICA
Odivaldo Teixeira Lopes
ARTE FINAL DA CAPA
Odivaldo Teixeira Lopes
REALIZAÇÃO
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
F676s Fonseca, Rubens Vilhena
Sequências e séries / Rubens Vilhena Fonseca – Belém: UEPA / Centro de Ciências Sociais e Educação, 2011.
24 p.; iI. ISBN: 978-85-88375-67-3 1.Sequências (Matemática). 2. Séries (Matemática). I.
Universidade Estadual do Pará. II. Título. CDU: 517.521 CDD: 515.24
Índice para catálogo sistemático 1. Sequências (Matemática) 517.521
Belém - Pará - Brasil - 2011 -
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
5
Seqüência: esta palavra está relacionada com sucessão ordenada de coisas.
Seqüência infinita: sucessão interminável de números, chamados termos.
Exemplos:
1) 1,2,3,4,5,6,7......
2) 2,4,6,8,10,.....
3) 1, 1/2,1/3,1/4,1/5,.....
4) 1,-1,1,-1,1,-1,....
Cada seqüência tem um padrão definido dado pelo termo geral.
Exemplos:
1) 2, 4, 6, 8,.... onde cada número representa o dobro de sua posição. O número 2 está na
posição 1, portanto vale 2x1=2, o número 4 está na posição 2 e vale 2x2=4, e assim por
diante. O termo geral portanto é 2n.
2) 1, 1/2,1/3,1/4,1/5,..... onde o termo geral é 1/n
3) 1/2, 1/4, 1/8, 1/16,....n2
1,.......
4) ,........1
,.......,5
4,
4
3,
3
2,
2
1
n
n
5) ,.....12,....9,7,5,3,1 n
Desta forma, a seqüência pode ser representada por seu termo geral. Assim, para o exemplo
anterior:
1) n 1{2n}
2) 12
1
n
n
3) 11 nn
n
4) n 1{2n 1}
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
6
Observação:
A letra n é denominada índice da seqüência (outras letras podem
ser utilizadas).
Definição:
Um seqüência é uma função cujo domínio é um conjunto de números inteiros.
Assim, n n 1{a } equivale a uma notação alternativa da função: nf (n) a , n 1,2,3,4.....
Exemplo:
1) 1
1
nn pode ser escrito como: ....4,3,2,1,
1n
ny , cujo gráfico é:
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
7
2) Similarmente: 2
n 1{2(n 2)}
3) Para: n 1
n 1{( 1) }
Limite de uma seqüência:
O limite de uma seqüência existe quando, à medida em que n cresce, os valores da seqüência
também crescem ou diminuem em direção a um valor limite L. Em outras palavras, para
qualquer número positivo , há um ponto N na seqüência, após o qual todos os termos estão
entre as retas Ly e Ly .
Exemplo:
1) 1
1
1
nn
ou seja 01
1lim
1nn n
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
8
2) 12
11lim
1n
n
n
Definição:
Dizemos que uma seqüência n{a } converge para o limite L se dado 0 qualquer, existir
um número inteiro N, tal que n| a L | para Nn . Neste caso temos: Lan
nlim .
Uma seqüência diverge, quando não converge para algum limite finito.
Propriedades: As propriedades válidas para limites usuais, também valem para seqüências:
Suponha que as seqüências n n{a } e {b } convergem respectivamente para L1 e L2, e seja c
uma constante. Então:
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
9
n
n n 1n n
n n n n 1 2n n n
n n n n 1 2n n n
n n n n 1 2n n n
nnn 1
2n
n n 2n
lim c c
lim ca c lim a cL
lim (a b ) lim a lim b L L
lim (a b ) lim a lim b L L
lim (a b ) lim a lim b L L
lim aa Llim se L 0
b lim b L
Exemplo:
As seqüências a seguir convergem ou divergem. Se convergir, encontre limite:
1) 112 nn
n
2
1
12lim
n
n
n
2) n
n 1
n( 1)
2n 1. O gráfico desta função é:
Visualmente verifica-se há dois limites distintos: um se refere aos termos de posição
ímpar (pontos acima do eixo x) e outro se refere a termos de posição par (abaixo do eixo
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
10
x). O simples fato de estes limites não serem iguais, já seria suficiente para determinar a
não convergência de série.
2
1
12lim
n
n
n (posições par)
2
1
12lim
n
n
n (posições ímpar)
Propriedade: Uma seqüência converge para um limite L se e somente se as seqüências
de termos de posição par e impar convergem ambas para L.
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
11
MONOTONICIDADE DE SEQÜÊNCIAS
Teorema do confronto: Sejam n{a } , n{b } e n{c } seqüências tais que nbn cba , para
todos os valores de n acima de um índice N. Se as seqüências n{a } e n{c } tiverem um limite
comum L quando n , então n{b } terá o limite L quando n .
Teorema: Se 0lim nn
a então 0lim nn
a .
Observação:
As seqüências podem ser definidas recursivamente através de
fórmulas de recursão.
Ex. Algorítimo para o cálculo de p :
,.....4,3,2,1,2
2
1,1 10 n
yyyy
n
nn
Terminologia: Uma seqüência é dita :
Estritamente crescente se 1 2 3 4a a a a .....
Estritamente decrescente se 1 2 3 4a a a a .....
Crescente se 1 2 3 4a a a a .....
Decrescente se 1 2 3 4a a a a .....
Se uma seqüência for estritamente crescente ou decrescente ela á dita estritamente
monótona.
Se uma seqüência for crescente ou decrescente ela é dita monótona.
Teste de monotonicidade:
1o. Método: Diferença entre termos sucessivos:
Estritamente crescente se n 1 na a 0
Estritamente decrescente se n 1 na a 0
Crescente se n 1 na a 0
Decrescente se n 1 na a 0
2o. Método: Razão entre dois termos sucessivos:
Estritamente crescente se n 1 na / a 1
Estritamente decrescente se n 1 na /a 1
Crescente se n 1 na / a 1
Decrescente se n 1 na / a 1
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
12
Observação
1) Algumas seqüências possuem um comportamento errático no início,
apresentando uma propriedade a partir de um certo termo.
2) Normalmente a convergência ou divergência de uma seqüência não
depende do comportamento de seus termos iniciais mas de seu
comportamento a partir de um certo termo.
3) Se uma seqüência for crescente a partir de um certo termo então:
a. Ela é limitada por uma cota superior de valor M ( na M ) e a
seqüência converge para L M .
b. Ela é ilimitada e nnlima .
4) A mesma observação é válida para seqüências decrescentes.
SÉRIES INFINITAS
Observe o número:
10.33333333.... 0,3 0,03 0,003 0,0003 0,00003 0,000003 ........
3
3 3 3 3 3 3.......
10 100 1000 10000 100000 1000000
Pode-se afirmar que 1/3 pode ser escrito como um soma de uma série
infinita de termos.
Tomemos a seqüência de somas:
5
4324
323
22
1
S
10
3
10
3
10
3
10
3S
10
3
10
3
10
3S
10
3
10
3S
10
3S
A seqüência S1, S2, S3, S4,.... é uma sucessão de aproximações da “soma” da série infinita
cujo valor é 1/3. Quanto mais avançarmos na série, melhor será esta aproximação. Tomando
um termo geral da série acima:
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
13
nnS10
3.....
10
3
10
3
10
332
Assim, podemos concluir que um limite para esta soma é:
nnn
nS
10
3.....
10
3
10
3
10
3limlim
32
Para determinar este limite, temos que manipular a expressão de Sn. Multiplicando-se ambos
os lados da expressão de Sn por 1/10 e subtraindo esta nova expressão da expressão para o Sn
original tem-se:
nnS10
11
3
1
Tomando-se o limite tem-se que a soma é dada por 1/3 como esperado.
Definições:
1) Uma série infinita é uma expressão que pode ser escrita na forma:
1
4321 ..............k
kk uuuuuu , onde u1, u2, u3, etc, são os termos da série.
2) O número Sn é chamado n-ésima soma parcial e a seqüência n n 1{S } é chamda seqüência
das somas parciais.
3) Se a seqüência n n 1{S } convergir para um limite S, dizemos que a série converge para S,
ou seja: 1k
kuS .
4) A série diverge se n n 1{S } diverge, e uma série divergente não tem soma.
Séries Geométricas: São aquelas em que cada termo é obtido multiplicando-se o anteriror
por uma constante r fixa, conhecida como razão.
Forma geral: ..........2
0
k
k
k arararaar .
Observação:
Algumas vezes é conveniente iniciar a série por um índice diferente de
1, o que não modifica em nada a série.
Uma série geométrica diverge se 1r e converge se 1r .
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
14
A soma de uma série convergente, tomando-se os n primeiros termos da série é:
n
k
k
n arararaarS ....2
0
.
Multiplicando ambos os lados por r e subtraindo a expressão resultante da expressão de Sn
anterior, tem-se:
n
n
a 1 rS
1 r.
Se 1r , temos 0lim n
nr .
Então: n
nn n
a 1 r alim S lim
1 r 1 r.
Desta forma,
k
n
aS limar se r 1
1 r.
Série Harmônica: 1
....4
1
3
1
2
11
1
k k
Esta série surge em conexão com os sons harmônicos produzidos pela vibração de uma corda
musical. Diferentemente do que a nossa intuição possa nos dizer, esta série diverge, conforme
prova a literatura.
Testes de Convergência:
Para seqüências: Achar o termo geral e calcular o limite.
Para séries: achar o termo geral da seqüência das somas parciais e encontrar o limite.
Normalmente, este termo geral é muito difícil de ser obtido. Para isto, diversos testes de
convergência/divergência foram obtidos.
Teste da divergência:
Para a série 1k
ku , toma-se o termo geral da série, uk, e calcula-se o limite para k .
a) Se 0lim kx
u , então a série 1k
ku diverge.
b) Se 0lim kx
u , então a série 1k
ku converge ou diverge.
c) Se a série 1k
ku converge, então 0lim kx
u .
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
15
Propriedades Algébricas:
a) Se ku e kv são séries convergentes, então k k(u v ) e k k(u v ) são séries
convergentes e as somas destas séries estão relacionadas por:
k k k k(u v ) u v e k k k k(u v ) u v .
b) Se c é uma constante não nula, então ambas as séries ku e kv convergem ou
divergem. No caso da convergência, vale: kk uccu
c) A convergência ou divergência não é afetada pela retirada de um número finito de termos
de uma série,
...
...
21
321
1
NNN
Nk
k
k
k
uuuu
uuuu
ou ambas convergem ou ambas divergem.
Note que a divergência não é afetada, mas o valor da soma sim!!!!
Teste da integral: Para uma função f (x) contínua, decrescente e com valores positivos
para todo ax , a série n a
f (n) será convergente se a integral imprópria a
f (x)dx existir e
será divergente se a
f (x)dx .
Séries Hiper-Harmônicas ou p-Séries: São séries do tipo
1
.....1
...3
1
2
11
1
kpppp kk
. Estas convergem se 1p e divergem se 10 p .
Demonstração: use o teste da integral!
Teste da Comparação
Sejam 1k
ka e 1k
kb ,
1) Se a série maior convergir, então a série menor converge.
2) Se a série menor divergir, então a série maior diverge.
Dicas para a aplicação deste teste
1) Termos constantes no denominador podem geralmente ser eliminados
sem afetar a divergência ou convergência da série.
2) Geralmente pode-se descartar os termos de menor grau em um polinômio
do numerador e/ou denominador, deixando apenas o termo dominante.
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
16
Teste da Comparação com Limites
Sejam ka e kb séries de temos positivos e seja: k
kk
b
alim .
Se for finito e maior que 0, então ambas as séries convergem.
Teste da Razão
Nos testes anteriores, era necessário encontrar uma série apropriada e estudar a sua
convergência. Isto algumas vezes não é fácil de se obter.
O próximo teste é bastante versátil, uma vez que funciona apenas com os termos da série
dada.
Seja ku uma série de termos positivos e suponha que k
kk
u
u 1lim
Se 1 , a série converge
Se 1, a série diverge
Se 1 , a série converge ou diverge
Teste da Raiz
Seja ku uma série de termos positivos e para kkk ulim
Se 1 , a série converge
Se 1 ou , a série diverge
Se 1 , a série pode convergir ou divergir
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
17
SÉRIES ALTERNADAS
Possuem termos positivos e negativos.
Teste da Série Alternada
Uma série alternada da forma 1
)1(k
k
k a converge se as duas condições forem satisfeitas:
a) a1 > a2 > a3 ... > ak > ...
b) 0lim kk a
Exemplo
1
1)1(
n
n
n
nan
1
1
11
nan
Note que esta é uma série harmônica alternada que, ao contrário da série harmônica simples,
converge!
A soma de séries alternadas chama atenção especial, já que estamos adicionando um termo
positivo e um negativo sucessivamente à série.
Para uma série que satisfaça as condições acima, onde S é a soma da série, então:
a) S está entre duas somas parciais sucessivas, isto é:
Sn < S < Sn+1 ou Sn+1 < S < Sn
b) Se S for aproximada por Sn, então o erro absoluto |S - Sn| < an+1 e o sinal de S – Sn é igual
ao do coeficiente de an+1.
Convergência Absoluta
Definição: A série ku converge absolutamente se a série de valores absolutos || ku
converge, e diverge absolutamente se a série de valores absolutos diverge.
Observação:
Se a série 1
||k
ku converge, então a série 1k
ku também converge.
Este resultado é útil na solução de problemas do tipo:
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
18
22
1cos
kk
k
Série hiper-harmônica p>1 converge
Converge
Exemplo
Mostre que a série 2
k 1
cos k
k converge.
O sinal desta série varia irregularmente. Assim vamos tratar a convergência de: 1
2
cos
k k
k
mas
12
cos
k k
k converge!
Observação:
Os testes da razão e da raiz podem ser usados para o teste da
convergência absoluta de uma série.
SÉRIES DE POTÊNCIAS
Até o momento: séries cujos termos são números.
Agora: séries cujos termos são funções.
Séries de Potências em x
...3
3
2
210
0
xcxcxccxck
k
k
Exemplo
...62
1!
32
0
xxx
n
x
n
n
Quando x é substituído por um número, a série numérica resultante pode convergir ou
divergir.
Note que em x=0 a série sempre converge pra c0.
O conjunto de valores nos quais a série converge é chamado intervalo de convergência, que,
como pode ser provado, é centrado em zero.
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
19
Para cada série de potências em x, exatamente uma das seguintes alternativas é verdadeira:
a) A série converge somente em x=0 (raio de convergência 0).
b) A série converge absolutamente (e portanto converge) para todos os valores reais de x
(raio de convergência ).
c) A série converge absolutamente (e portanto converge) para todo x em algum intervalo
aberto finito (-R,R). e diverge se x <-R ou x >R. Nos pontos x = R ou x =-R, a série
pode convergir absolutamente, convergir condicionalmente ou divergir, dependendo da
série particular (raio de convergência R).
O procedimento usual para se determinar o raio de convergência é aplicar o teste da razão
para convergência absoluta.
Série de potências em (x - x0)
Se x0 for uma constante e se x for substituído por (x – x0) então a série de potências tem a
forma:
...)(...)()()( 0
2
02
0
0100
k
k
k
k
k xxcxxcxxccxxc
O intervalo de convergência é obtido de forma semelhante, substituindo x – x0 em x, ou seja,
exatamente uma das alternativas é correta:
a) A série converge apenas para x = x0;
b) A série converge absolutamente para todos os valores reais de x;
c) A série converge absolutamente para todo x em algum intervalo finito (x0 – R, x0
+ R) e diverge se x < x0 + R ou x > x0 + R. Nos pontos x = x0 - R e x = x0 + R a série
pode convergir absolutamente, convergir condicionalmente ou divergir, dependendo da
série particular.
SÉRIES DE TAYLOR E MACLAURIN
Polinômios de MacLaurin:Veremos como aproximar funções por polinômios.
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
20
Porém, se a curvatura for muito pronunciada nesta região, esta aproximação será rapidamente
deteriorada à medida que se afasta de x0. Um polinômio de grau dois seria muito mais
recomendável, especialmente se for garantido que a derivada primeira e segunda do
polinômio coincidam com as da função no ponto x0. Assim, a função f (x) e o polinômio p(x)
teriam a mesma derivada e concavidade no ponto x0.
2
210)( xcxccxp onde:
)0()0( fp )0()0( 0 fcp
)0(')0(' fp )0(')0(' 1 fcp
)0(")0(" fp )0("2)0(" 2 fcp 2
)0("2
fc
Assim 2
2
)0(")0(')0()( x
fxffxp
Exemplo
Encontre as aproximações linear e quadrática locais de ex em x = 0.
1)0( 0ef 1)0(' 0ef 1)0(" 0ef
linear: xxp 1)(
quadrática: 2
21)(
xxxp
Podemos extender este procedimento para um polinômio de grau n, de forma que as n
primeiras derivadas coincidam com as derivadas de f (x) em x0.
Se x0 = 0:
n
nxcxcxccxp ...)( 2
210
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
21
)0()0( pf , )0(')0(' pf , ..., )0()0( )()( nn pf
n
n
n
n
n
n
n
n
cnnnxp
xcnnnxccxp
xcnnxccxp
xncxcxccxp
)1)...(2)(1()(
)2)(1(...23423)('''
)1(...232)("
...32)('
)(
3
43
2
32
12
321
!
)0(!)1)...(2)(1()0()0(
!3
)0('''
23
)0('''23)0(''')0('''
2
)0(''2)0('')0(''
)0(')0(')0('
)0()0()0(
)()()(
33
22
11
00
n
fccncnnnpf
ffccpf
fccpf
fccpf
fccpf
n
nnn
nn
Assim:
nn
n xn
fx
fx
fffxp
!
)0(...
!3
)0('''
!2
)0('')0(')0()(
)(32
n-ésimo polinômio de MacLaurin, que na realidade representa uma série de potências
Polinômios de Taylor
Se a aproximação for feita em um ponto x0 qualquer (para a série de MacLaurin a
aproximação era na origem), temos o polinômio:
n
n xxcxxcxxccxp )(...)()()( 0
2
02010
onde !
)(
!2
)('')(')( 0
)(
020100
n
xfc
xfcxfcxfc
n
n
Assim, n
n
n xxn
fxx
xfxxxfxfxp )(
!
)0(...)(
!2
)(''))((')()( 0
)(2
00
000
polinômio de Taylor em toro de x = x0, se f (x) tiver n derivadas
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
22
Convergência da Série de Taylor
Pn (x) n-ésimo polinômio de Taylor em torno de x0, cujo valor e as n-ésimas primeiras
derivadas coincidem com aquelas de f em x0.
Assim é razoável esperar que, à medida em que n cresce, os valores do polinômio de Taylor
devem convergir para o valor de f (x) em torno de x0, ou seja:
)()(!
)(0
0
0 xfxxk
xf Ln
k
k
quando n
Mas Pn (x) corresponde à n-ésima soma parcial da série de Taylor para f e a séria de Taylor
converge para f (x) que é a sua soma.
A questão que surge é: há um intervalo em torno de x0 para o qual a série converge para f (x),
pra x pertencente a este intervalo?
Isso é óbvio para o ponto x0, dadas as condições com que Pn (x) foi criado.
n
k
kk
n xxk
xfxfxR
0
)(!
)()()(
n-ésimo resto para f em torno de x = xo
Ou seja: )()(!
)()(
0
00 xRxx
k
xfxf n
n
k
kk
fórmula de Taylor com resto
A igualdade ok
kk xxxfxf ))(()( 00 é verdadeira em um ponto x se, e somente se,
0)(lim xRnn
.
A estimativa deste resto não é trivial e não será abordada neste curso.
Para se aproximar o valor de uma função f em torno de x usando uma série de Taylor, duas
questões devem ser respondidas:
1. Em torno de quais pontos a série de Taylor deve ser expandida?
2. Quantos termos na série devem ser usados para alcançar a precisão desejada?
y
x
21)(
2
2
xxxP
ex
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
23
Resposta:
1. Em pontos x0 próximos de x, nos quais as derivadas de f possam ser facilmente
calculadas.
2. Depende de cada caso.
Funções Exponenciais
Pode-se provar que a série de MacLaurin converge para e
x, para todo x, isto é:
...!
...!3!2
1!
32
0 k
xxxx
k
xe
k
k
kx
para x
Funções Logarítmicas
A série de MacLaurin:
...432
)1ln(432 xxx
xx )11( x
Convergência muito lenta pouco uso prático.
Mas se substituirmos x por –x:
432)1ln(
432 xxxxx
e substituirmos as funções
...753
21
1ln)1ln()1ln(
753 xxxx
x
xxx )11( x
Série Binomial
Se m for um número real, então a série de MacLaurin para (1+x)
m é chamada de série
binomial e é dada por:
...!
)1)...(1(...
!3
)2)(1(
!2
)1(1 32 mx
m
kmmmx
mmmx
mmmx
Se m é inteiro não negativo, todas as derivadas (m+1)-ésimas são nulas e portanto a série se
reduz à expansão binomial familiar:
mm xxmm
mxx ...!2
)1(1)1( 2 x
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
24
Porém, pode-se provar que esta série binomial converge para (1+x)m se |x| < 1. O u em
notação sigma:
1 !
)1)...(1(1)1(
k
mm xk
kmmmx se |x| < 1
Diferenciação e Integração de uma Série de Potências
Diferenciação de uma Série de Potências
Se k
k
k xxcxf )()( 0
0
(x0 – R < x < x0 + R)
a função é diferenciável no intervalo de convergência e a série:
k
k 0
k 0
d[c (x x ) ]
dx converge para f no mesmo intervalo, ou seja,
k
k 0
k 0
df '(x) [c (x x ) ]
dx (x0 – R < x < x0 + R)
o mesmo pode ser extendido para f f , f , etc.
Conclusão: Se uma função f puder ser representada por uma série de potências em (x - x0)
com raio de convergência diferente de zero, R, então f tem derivadas de todas as ordens
sobre o intervalo (x0 – R, x0 + R).
Exemplo
xxxxxxx
xxxx
dx
dx
dx
d
xxxxx
cos...!6!4!2
1...!7
7
!5
5
!3
31
...!7!5!3
][sen
...!7!5!3
sen
642642
753
753
Integração de uma Série de Potências
Se k
k
k xxcxf )()( 0
0
(x0 – R < x < x0 + R)
k
k 0
k 0
f (x)dx [ c (x x ) ] + C (x0 – R < x < x0 + R)
SEQUÊNCIAS E SÉRIES
25
ou dxxxcdxxfk
k
k
0
0 )()( onde e são pontos do intervalo (x0 – R, x0 + R).
Exemplo
Cxxx
x
dxxxx
xdx
...)!6.(7)!4.(5)!2.(3
...!6!4!2
1cos
753
642
CxCxxx
x sen...!7!5!3
753
Observação:
Se uma função f estiver representada por uma série de potências em (x
– x0) em algum intervalo aberto contendo x0, então aquela série de
potências é a série de Taylor para f em torno de x – x0.
Dica:
Como obter a série de Taylor para tan-1
x?
Das tabelas de intergrais temos que:
Cxdxx
1
2tan
1
1
Da tabela 2.9.1 temos: ...11
1 642
2xxx
x
3 5 71 2 4 6
3 5 71
x x xtan x C [1 x x x ...] dx x ...
3 5 7
x x xtan x x ... C
3 5 7
Sabendo-se que 000tan 1 C
...753
tan753
1 xxxxx (-1 < x < 1)