Enunciado

Encontre o raio de convergência e o intervalo de convergência da série.

∑ n = 1 ∞ 2 x - 1 n 5 n n

Passo 1

Opa galerinha! Mais uma questão com uma série que possui uma variável x , de modo que podemos definir que é uma série de potência que converge para alguns valores específicos de x .

E é exatamente isso que temos que encontrar. Precisamos encontrar o raio e o intervalo de convergência, que nada mais é que encontrar para quais valores de x a série converge.

Podemos aplicar diversos métodos, porém, perceba que tenho elementos em potência de n , isso me diz que o teste da razão pode ser uma boa opção.

Vamos nos recordar o que é o teste da razão?

Uma série qualquer, chamada de ∑ a n , será convergente se:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n < 1

Será divergente se:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n > 1

Caso

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = 1

Então o teste não é conclusivo.

Agora que já entendemos o que será feito.

Partiu colocar a mão na massa!!!

Passo 2

Vamos definir quem é a n e a a n + 1 :

Temos que

a n = 2 x - 1 n 5 n n

Então, fazemos

a n + 1 = 2 x - 1 n + 1 5 n + 1 n + 1

Passo 3

Assim,

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = lim n → ∞ ⁡ 2 x - 1 n + 1 5 n + 1 n + 1 ⋅ 5 n n 2 x - 1 n

lim n → ∞ ⁡ 2 x - 1 n . ( 2 x - 1 ) 5 . 5 n n + 1 ⋅ 5 n n 2 x - 1 n

= lim n → ∞ ⁡ 2 x - 1 5 n n + 1   = lim n → ∞ ⁡ 2 x - 1 5 ∞ ∞

lim n → ∞ ⁡ | 2 x - 1 | 5 ∞ ∞ = 2 x - 1 5 . ( 1 )

Passo 4

Pela definição de teste da razão, a série converge quando:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n < 1

Então temos que, para a série convergir

2 x - 1 5 < 1

Logo:

2 x 2 - 1 2 < 5 2

Ou seja:

- 5 2 < x - 1 2 < 5 2

- 5 2 + 1 2 < x < 5 2 + 1 2

- 2 < x < 3

Passo 5

Então, o raio de convergência

R = 5 2

Agora vamos verificar os pontos de extremidade, ou seja,

Quando

x = 3

A série

∑ n = 1 ∞ 1 n

, é divergente pela p-série, com p = 1 2 < 1

Quando

x = - 2

A série

∑ n = 1 ∞ - 1 n n

É uma série alternada. Podemos verificar as duas condições necessárias para convergir.

  1. A série precisa ser decrescente. (Considerando apenas os valores absolutos dos termos.
  2. O limite com n tendendo ao infinito deve ser   0 .

Ambos os casos podem ser verificados ao analisar que o numerador permanece constante e o denominador tende ao infinito.

De modo que a série é certamente decrescente, e seu limite é zero.

Então a série converge pelo teste das séries alternadas.

Então, o intervalo de convergência é:

I = [ - 2,3 )

Resposta

R = 5 2

I = [ - 2,3 )

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