Enunciado

Aproxime a soma da série com a precisão de quatro casas decimais:

∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n 2 10 n

Passo 1

O exercício nos da uma série e pede para que seja estimado a soma com uma precisão de quatro casas decimais. Para isso, podemos utilizar o Teorema da estimativa de séries alternadas. Então primeiro temos que definir se a série dada satisfaz as condições necessárias e então aplicamos o teorema. Bem tranquilo até aqui né?!

Passo 2

Vamos nos recordar em que situações podemos aplicar o teorema da estimativa de séries alternadas?

O teste da série alternada diz que uma série converge se satisfazer duas condições:

  1. b n + 1 ≤ b n . Sendo b n o valor absoluto de cada termo da série. Ou seja, a série for decrescente.
  2. lim n → ∞ ⁡ b n = 0

Então primeiro vamos identificar se a série é decrescente. Escrevendo alguns de seus termos:

∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n 2 10 n = 1 10 - 4 10 2 + 9 10 3 - 16 10 4 + 25 10 5 - 36 10 6 + …

Repare que se considerarmos apenas o valor absoluto de cada termo, o termo anterior é sempre maior que o próximo termo. Colocando isso na linguagem da matemática:

b n + 1 ≤ b n

Ou seja, a primeira condição confere.

E a segunda?!

Ora podemos calcular esse limite e testar se o resultado realmente é zero.

Lembrando que b n considera apenas os valores em absoluto. Ou seja, devemos omitir o elemento relacionado as mudanças de sinais da série. De modo que:

b n = n 2 10 n

Fazendo:

lim n → ∞ ⁡ b n = lim n → ∞ ⁡ n 2 10 n = 0

Clássico caso em que o denominador tende a infinito muito mais rápido que numerador.

Com isso, sabemos que ambas as condições conferem. Agora só precisamos aplicar o teorema.

Passo 3

O teorema das estimativas da soma diz que o erro da soma de um número n de elementos é menor que o valor absoluto do termo da soma parcial n + 1 . Ou seja, se encontrarmos o termo que tenha seu valor menor que o erro procurado, saberemos até onde precisamos somar os termos.

Vamos calcular os termos das séries?

Explicitando alguns termos:

∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n 2 10 n = 1 10 - 4 10 2 + 9 10 3 - 16 10 4 + 25 10 5 - 36 10 6 + 49 10 7 …

Repare que o sétimo termo ( b 7 ) possui valor absoluto = 0,0000049

Se fizermos as somas até o termo b 7 teremos:

= 0,1 - 0,04 + 0,009 - 0,0 0 16 + 0,00025 - 0,00003 6 + 0,00000 49

0,67614 +   0,0000049 = 0,676189

Perceba que a última etapa da soma não alterou nenhuma das primeiras quatro casas decimais. Isso significa que o erro ao somar os termos até o sexto termo é menor que quatro casas decimais.

Ou seja:

S 6 = 0,67614

Arredondando para quatro casas decimais:

S 6 = 0,676 2

Resposta

Temos que a série e aproximadamente: 0,06762

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