Enunciado

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

∑ n = 1 ∞ 5 x - 4 n n 3

Passo 1

Fala, amigos! Tudo joinha?

A questão pede o raio e o intervalo de convergência de:

∑ n = 1 ∞ x n 2 n - 1  

Geralmente para encontrar esse raio R e esse intervalo usamos o Teste da Razão ou da Raiz.

Aqui vamos usar o Teste da Razão. No Teste da Razão, temos que:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = L

Se L < 1 → a série ∑ a n é absolutamente convergente (e, portanto, convergente). Caso L > 1 → a série ∑ a n é divergente e se L = 1 → o teste é inconclusivo.

Ah, já vou te adiantando que no último passo vamos usar dois testes que já vimos até agora para testar se há convergência para os valores x nas extremidades do intervalo. Vou recapitular rapidinho com você aqui já nesse passo.

  • Para a série-p, temos:

∑ n = 1 ∞ 1 n p

É convergente se p > 1 e é divergente se p ≤ 1 .

  • Teste da Série Alternada:

∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 b n

Se a série acima satisfaz as condições: (i) b n + 1 ≤ b n para todo n   (traduzindo: é decrescente) e (ii) lim n → ∞ ⁡ b n = 0 , a série converge.

Vem comigo!

Passo 2

Para encontrarmos o raio de convergência, o primeiro passo é aplicar o teste da razão.

Temos que

a n = 5 x - 4 n n 3

Então, fazemos

a n + 1 = 5 x - 4 n + 1 ( n + 1 ) 3

Assim, já vamos escrever nossa divisão como uma multiplicação da primeira fração pelo inverso da segunda:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 a n = lim n → ∞ ⁡ 5 x - 4 n + 1 ( n + 1 ) 3 ⋅ n 3 5 x - 4 n

Vamos abrir as somas de expoentes e simplificar termos que dividem entre si:

lim n → ∞ ⁡ 5 x - 4 n ⋅ 5 x - 4 1 ( n + 1 ) 3 ⋅ n 3 5 x - 4 n = lim n → ∞ ⁡ 5 x - 4 1 ( n + 1 ) 3 ⋅ n 3

Tirando os termos que dependem de n do módulo, já que n é sempre positivo:

lim n → ∞ ⁡ 5 x - 4 n n + 1   3

Dividimos o numerador e o denominador do nosso termo ao cubo por n para simplificar nossa análise. Resolvendo o limite, finalmente:

lim n → ∞ ⁡ 5 x - 4 n n + 1 n   3 = 5 x - 4 ⋅ 1 = | 5 x - 4 |

Passo 3

Pelo teste da razão, a série ∑ n = 1 ∞ 5 x - 4 n n 3

Converge quando

L < 1

Lembra que L é justamente o resultado do limite? Então:

5 x - 4 < 1  

Para isolar x , manipulamos a inequação. Dividindo por 5:

x - 4 5   < 1 5

Isolando o x :

- 1 5 < x - 4 5 < 1 5

Ficamos com:

3 5 < x < 1

Passo 4

Como o raio de convergência pode ser do formato:

x - a < R

E no nosso caso temos:

x - 4 5   < 1 5

Então, o raio de convergência:

R = 1 5

Agora vamos verificar os pontos de extremidade, ou seja:

Quando:

x = 1

A série:

∑ n = 1 ∞ 1 n 3

é convergente pela p-série com p = 3 > 1 .

Quando

x = 3 5

A série:

∑ n = 1 ∞ - 1 n n 3

converge pelo teste das séries alternadas.

Então, o intervalo de convergência é:

I = 3 5 , 1

Resposta

R = 1 5

I = 3 5 , 1

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