Enunciado

Encontre os valores de p para os quais a série é convergente.

∑ n = 1 ∞ n 1 + n 2 p

Passo 1

Fala aíí, galera!

Aqui nós estamos trabalhando com o Teste da Integral, que é um método pra verificar a convergência de séries. Primeiro a gente pega o termo geral da série e associa uma função a ele:

a n = n 1 + n 2 p

f x = x 1 + x 2 p

E temos que verificar três condições pra ver se esse teste realmente é válido pra essa série: a função precisa ser contínua, positiva e decrescente! Nesse caso, a função é um polinômio elevado a uma constante e multiplicado por x .

  • Não tem restrição no seu domínio, ela é contínua
  • Estamos trabalhando com valores positivos de n , então f ( x ) vai ser sempre positiva
  • Pra que seja decrescente, vai depender dos valores de p , que é justamente o que queremos calcular, então vamos ver isso mais tarde

Agora pra completar o Teste da Integral, vamos fazer a integral da nossa função:

∫ 1 ∞ f x d x = ∫ 1 ∞ x 1 + x 2 p d x

Se a integral convergir, a série converge. Se a integral divergir, a série diverge.

Mas vamos começar vendo essa questão da função precisar ser decrescente!

Passo 2

Vamos avaliar essa condição dada no passo 1. A função precisa ser decrescente, pois se ela for crescente, ela vai explodir pro infinito e naturalmente divergir. Além disso não poderemos usar o teste da integral.

f x = x 1 + x 2 p

Se p > 0 , essa função vai crescer muito e tender pro infinito, pois lim n → ∞ ⁡ a n ≠ 0 , então não atende nosso critério e vai divergir.

Pra que ela seja decrescente, precisamos que p seja negativo. Dessa forma, teremos algo assim:

f x = x 1 + x 2 p

E quando maior for o x , maior o denominador e menor a função! Perfeito, já temos um primeiro intervalo pra p :

p < 0

Agora vamos voltar pra integral!

Passo 3

Como a integral é imprópria (seu limite superior é infinito), podemos trocar o limite superior por uma variável finita e depois fazer o limite dessa variável tendendo ao infinito:

∫ 1 ∞ x 1 + x 2 p d x = lim t → ∞ ⁡ ∫ 1 t x 1 + x 2 p d x

Passo 4

∫ 1 t x 1 + x 2 p d x

Bom, para resolvermos essa integral, vamos usar a substituição

u = 1 + x 2

d u = 2 x   d x

d u 2 = x d x

Substituindo na integral:

∫ x 1 + x 2 p d x = 1 2 ∫ u p d u

E agora vamos integrar:

1 2 ∫ u p d u = 1 2 u p + 1 p + 1

Retornando pra variável original:

1 2 u ( p + 1 ) ( p + 1 ) = 1 2 1 + x 2 ( p + 1 ) ( p + 1 )

E agora podemos substituir os limites de integração:

∫ 1 t x 1 + x 2 p d x = 1 2 1 + x 2 ( p + 1 ) ( p + 1 ) 1 t = 1 + t 2 ( p + 1 ) - 2 ( p + 1 ) 2 p + 1

Passo 5

Agora lembra que a integral imprópria tinha virado um limite??

∫ 1 ∞ x 1 + x 2 p d x = lim t → ∞ ⁡ ∫ 1 t x 1 + x 2 p d x

Retornando à nossa integral imprópria:

lim t → ∞ ⁡ ∫ 1 t x 1 + x 2 p d x = lim t → ∞ ⁡ 1 + t 2 ( p + 1 ) - 2 ( p + 1 ) 2 p + 1

AGORA PRESTA BASTANTE ATENÇÃO NESSA PARTE!!!

A gente quer que a série seja convergente, mas pra isso, a integral precisa ser convergente, ou seja, precisamos encontrar um valor finito pra essa integral. Então a gente vai ter que olhar com bastante atenção pro termo que tem t :

lim t → ∞ ⁡ 1 + t 2 ( p + 1 )

Se o expoente ( p + 1 ) for positivo, esse limite vai dar infinito, e tanto a integral quanto a série vão divergir.

Mas se ( p + 1 ) for negativo, então podemos reescrever com o t no denominador. Lembra o que acontece com expoentes negativos? Vira uma fração e o expoente fica positivo no denominador:

lim t → ∞ ⁡ 1 + t 2 ( p + 1 ) = lim t → ∞   ⁡ 1 1 + t 2 p + 1

E aí a gente vai ter 1 dividido por um número gigantesco, então esse limite vai ser zero! CONTINUA PRESTANDO ATENÇÃO E VAMOS VOLTAR PRO LIMITE!

Se p + 1 < 0 :

lim t → ∞ ⁡ 1 + t 2 ( p + 1 ) - 2 ( p + 1 ) 2 p + 1 = 0 - 2 p + 1 2 ( p + 1 ) = c o n s t a n t e

Nós não sabemos quanto vale esse resultado, mas é uma constante finita. Então dessa forma, a série converge! Então achamos nosso resultado.

Para o limite acima não tender para o infinito, precisamos que o expoente p + 1 < 0 , ou seja, que p < - 1 .

A gente já tinha que p tinha que ser negativo, mas não muda em nada aqui, porque ele tem que ser menor que -1.

Resposta

∑ n = 2 ∞ n 1 + n 2 p   é convergente para   p < - 1

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Determine se a série é convergente ou divergente. ∑ n = 1 ∞ n 2 n 3 + 1
Determine se a série é convergente ou divergente. ∑ n = 2 ∞ 1 n ln ⁡ n 2
Determine se a série é convergente ou divergente. ∑ n = 1 ∞ n n 4 + 1