a. Encontre o intervalo de convergência da série

y = 1 + 1/6 * x^3 + 1/180 * x^6 + ... + 1∙4∙7∙…∙(3n - 2) / (3n)! * x^(3n) + ...

b. Mostre que a função definida pela série satisfaz a equação diferencial da forma

d²y / dx² = x^a * y + b

e encontre os valores das constantes a e b.

Passo 1

Salve, fera! Tudo bem? Essa questão pode não ser tão simples. Vamos encará-la juntos?

(a)

Seja a série,

y = 1 + 1 6 x 3 + 1 180 x 6 + … + 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n + …

Ela pode ser escrita como,

∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n  

Então seja,

∑ n = 1 ∞ u n = ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n  

Vamos aplicar o teste da razão para série ∑ n = 1 ∞ u n , assim, temos que:

lim n → ∞ ⁡ u n + 1 u n = lim n → ∞ ⁡ 1 ∙ 4 ∙ … ∙ 3 n - 2 ( 3 n + 1 ) x 3 n + 3 3 n + 3 ! ∙ 3 n ! 1 ∙ 4 ∙ … ∙ 3 n - 2 x 3 n

Eliminando os termos comuns,

lim n → ∞ ⁡ 3 n + 1 x 3 3 n ! 3 n + 3 ( 3 n + 2 ) ( 3 n + 1 ) ( 3 n ) !   = lim n → ∞ ⁡ x 3 3 n + 3 ( 3 n + 2 ) =  

x 3 lim n → ∞ ⁡ 1 3 n + 3 3 n + 2   = x 3 ∙ 0 = 0 < 1         ,   p a r a   t o d o   x .  

Assim a série converge absolutamente para todo x. Sabemos que toda série absolutamente convergente é convergente. Assim, o raio de convergência é .

Passo 2

(b)

A função definida pela série é:

y = 1 + ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n  

Derivando ambos os lados em relação a x, temos:

d y d x = ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! ( 3 n ) x 3 n - 1   = ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n - 1 ! x 3 n - 1  

Derivando novamente, têm-se:

d 2 y d x ² = ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n - 1 ! ( 3 n - 1 ) x 3 n - 2   = ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n - 2 ! x 3 n - 2  

Reindexando esse somatório, temos:

d 2 y d x ² = x + ∑ n = 2 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 5 3 n - 3 ! x 3 n - 2   =   x   1 + ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n  

Assim, temos:

d 2 y d x ² = x   1 + ∑ n = 1 ∞ 1 ∙ 4 ∙ 7 ∙ … ∙ 3 n - 2 3 n ! x 3 n   = x y

Igualando as expressões, d ² y d x ² = x a y + b e d 2 y d x ² = x y temos:

x a y + b = x y

Implicando que a = 1   e   b = 0 .

Espero ter ajudado! Abraços e até a próxima!

Resposta

(a) raio de convergência: . (b) a = 1   e   b = 0 .

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