Enunciado

Encontre uma série de potências para f , plote f e varias somas parciais s n x na mesma tela. O que acontece quando n aumenta?

f x = ln ⁡ 3 + x

Passo 1

Eai turminha, tudo bem com vocês!? Espero que sim! Bora responder mais uma!

Vamos compreender o enunciado primeiro, certo? Temos uma função f ( x ) da qual precisamos encontrar uma série de potências, e também plotar f e varias somas parciais no mesmo gráfico.

Como vamos resolver essa questão?

Vamos pensar juntos um pouco. Observe que para a função l n não temos nenhuma serie de potência. Mas já pensou que podemos enxergar a derivada dessa função, como iria ficar? Fazendo alguns ajustes, ela vai ficar parecida com uma função que conhecemos, a série geométrica:

S = 1 1 - r = ∑ n = 0 ∞ r n

Sabendo disso, obtemos a série de potência. Mas lembre-se, encontramos a série de potência para a derivada, logo precisamos aplicar a integral na série, para termos f ( x ) . Já para fazer o gráfico, podemos expandir a série, e para cada n assumimos uma nova função.

Bora lá fazer essas etapas!

Passo 2

Para obtermos a função f como uma série de potências, vamos avaliar sua derivada:

f x = ln ⁡ 3 + x

d f d x = 1 3 + x

Observe a expressão que encontramos, muita parecida com a soma da série geométrica né?

S = 1 1 - r = ∑ n = 0 ∞ r n

Vamos fazer mais algumas manipulações, colocando 1 3 em evidência no denominador:

d f d x =   1 3 1 - - x 3

Percebam que agora temos um termo conhecido, do qual sabemos a s��rie de potência. Ele pode ser escrito por:

1 3 1 + x 3 = ∑ n = 0 ∞ 1 3 - x 3 n

1 3 1 + x 3 = 1 3 1 - x 3 + x 2 9 - x 3 27 + x 4 81 + …

Portanto, temos que:

d f d x = 1 3 1 - x 3 + x 2 9 - x 3 27 + x 4 81 + …

Passo 3

Bom, encontramos uma série de potência para d f d x .

Mas lembre-se, que queremos saber a série de potência para f(x), para isso, vamos integrar ambos os lados:

∫ d f = 1 3 ⋅ ∫ 1 - x 3 + x 2 9 - x 3 27 + x 4 81 + … d x

Resolvendo esta integral, temos:

f ( x ) = 1 3 ⋅ x - x 2 3 ⋅ 2 + x 3 9 ⋅ 3 - x 4 27 ⋅ 4 + x 5 81 ⋅ 5 … + C

ln ⁡ 3 + x = 1 3 ⋅ ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n ⋅ 3 n - 1 ⋅ x n + C 3

ln ⁡ 3 + x = C 3 + ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n ⋅ 3 n ⋅ x n

Percebam uma coisa. Todo o trabalho que tivemos até aqui, foi tentar transformar todo o somatório em alguma série (compactar a resposta).

Além disto, muito cuidado nesta hora. Não podemos esquecer da constante de integração! Precisamos descobrir qual o valor de C . Como fazemos isso?

Para isto, basta fazermos x = 0 na equação acima. Logo,

ln ⁡ 3 + 0 = C 3 + ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n ⋅ 3 n ⋅ 0 n

ln ⁡ 3 = C 3

C = 3 ⋅ ln ⁡ 3

Portanto, a representação da função f em série de potência é:

f x = ln ⁡ 3 + ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n ⋅ 3 n ⋅ x n

OBS: Percebam que a função converge em x < 3 (não testamos as extremidades). É importante sabermos disto para podermos resolver o próximo passo e inclusive obter o valor de C na nossa série.

Passo 4

Já conhecemos a série de potência, certo?

Agora, precisamos obter um gráfico que mostre algumas somas parciais da nossa série. Para isto, vamos precisar do auxílio de softwares. Vejamos então abaixo:

f x = ln ⁡ 3 + x

n = 1 ,     S 1 = ln ⁡ 3 + x

      n = 2 ,     S 2 = ln ⁡ 3 - x 2 36

                            n = 3 ,     S 3 = ln ⁡ 3 - x 2 36 + x 3 81  

                                                  n = 4 ,     S 4 = ln ⁡ 3 - x 2 36 + x 3 81 - x 4 324

Percebam que à medida em que aumentamos a ordem da soma parcial, ou seja, conforme n aumenta a nossa função se aproxima cada vez mais da função f x .

Resposta

f x = ln ⁡ 3 + ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n ⋅ 3 n ⋅ x n

À medida em que aumentamos o valor de n , nos aproximamos mais de f ( x ) .

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