Enunciado

Expresse a função como a soma de uma série de potências usando primeiro frações parciais. Encontre o intervalo de convergência.

f x = x + 2 2 x 2 - x - 1

Passo 1

Olá pessoal!

Vamos transformar a função f x = 3 x 2 - x - 2 em uma série de potências, mas primeiro, precisamos ajustá-la usando frações parciais. Começaremos fatorando o denominador para simplificar a decomposição em frações parciais.

Em seguida, desenvolveremos as frações parciais para encontrar uma equação explícita com as constantes A e B .

Vamos dar uma ajeitada na função, usando frações parciais. A gente pode começar fatorando o denominador:

f x = x + 2 2 x + 1 x - 1

Como os fatores são todos de primeiro grau, nossa decomposição em frações parciais ficará mais ou menos assim:

x + 2 2 x + 1 x - 1 = A 2 x + 1 + B x - 1

sendo A e B constantes.

Passo 2

Agora, vamos desenvolver o lado direito, pra achar uma equação mais explícita com A e B :

x + 2 2 x + 1 x - 1 = A 2 x + 1 + B x - 1

x + 2 2 x + 1 x - 1 = A x - 1 + B ( 2 x + 1 ) ( 2 x + 1 ) ( x - 1 )

Como os denominadores são iguais, podemos igualar os numeradores:

x + 2 =   A x - A + 2 B x + B

x + 2 = A + 2 B x + ( B - A )

Fazendo igualdade de polinômios termo a termo, chegamos a duas equações:

A + 2 B = 1                     e                     B - A = 2

Resolvendo esse sisteminha, chegamos a A = - 1 e B = 1 , o que nos dá:

f x = ( - 1 ) 2 x + 1 + 1 x - 1

Passo 3

Show! Agora que tal a gente reescrever a função para torná-la mais semelhante à forma padrão de uma série geométrica, que é 1 1 - x . Ao expressar a função dessa maneira, torna-se mais simples identificar os termos da série de potências.

f x = - 1 1 + 2 x + - 1 1 - x

f x = ( - 1 ) 1 - ( - 2 x ) + ( - 1 ) 1 - x

A forma padrão de uma série geométrica é 1 1 - x , onde x é a variável e - x é a razão. Nossa função original f x = ( - 1 ) 1 - ( - 2 x ) + ( - 1 ) 1 - x é quase como 1 1 - x , mas com alguns ajustes nos sinais e nos termos. Vamos ajustá-la para ficar mais próxima de 1 1 - x .

Veja que a expressão da função pode ser entendida como a soma de duas séries geométricas: uma com primeiro termo - 1 e razão - 2 x , e a outra com primeiro termo - 1 e razão x , ou seja:

f x = - 1 + 2 x - 4 x 2 + … + - 1 - x - x 2 - …

E isso nos dá exatamente as séries de potências:

f x = ∑ n = 0 ∞ - 1 - 2 x n + ∑ n = 0 ∞ - 1 x n

f x = ∑ n = 0 ∞ - 1 n + 1 2 n x n + ∑ n = 0 ∞ ( - 1 ) x n

f x = ∑ n = 0 ∞ - 1 n + 1 2 n - 1 x n

É importante notar que ao combinar os dois somatórios, podemos fazê-lo diretamente porque ambos começam com n = 0 .

Passo 4

Beleza! Pra descobrir qual é o intervalo de convergência, pegamos a interseção entre os intervalos de convergência de cada série geométrica. Como a razão da primeira era - 2 x e a razão da outra era x , calculamos os intervalos assim:

- 2 x < 1

x < 1 2

E

x < 1

- 1 2 < x < 1 2                                     - 1 < x < 1

Se escolhemos o intervalo - 1 2 < x < 1 2 como o intervalo de convergência, pois é a interseção entre os intervalos de convergência das duas séries geométricas individuais.

Se escolhemos o intervalo - 1 < x < 1 , estaríamos incluindo pontos onde uma das séries não converge.

Portanto, para garantir que a série de potências represente a função original de uma forma precisa, devemos usar apenas o intervalo onde ambas as séries convergem, que é - 1 2 , 1 2 .

Então, a interseção entre os intervalos é - 1 2 , 1 2 .

Resposta

f x = ∑ n = 0 ∞ - 1 n + 1 2 n - 1 x n

- 1 2 , 1 2

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