Enunciado

Uma sequência a n é dada por a 1 = 2 , a n + 1 = 2 + a n .

(a) Por indução, ou de outra maneira, mostre que a n é crescente e limitada superiormente por 3 . Aplique o Teorema da Sequência Monótona para mostrar que lim n → ∞ ⁡ a n existe.

(b) Calcule lim n → ∞ ⁡ a n   .

Passo 1

Fala galerinha! Aqui temos a seguinte sequência:

a 1 = 2

a n + 1 = 2 + a n

E precisamos provar que ela é crecente e limitada superiormente.

Também precimos mostrar que o limite do termo geral exite e calculá-lo:

lim n → ∞ ⁡ a n

Mas primeiro vamos lembrar esse negócio de Teorema da Sequência Monótona. Esse teorema diz que toda sequência monótona e limitada é convergente!

Mais uma coisa a se lembrar, quando uma sequência é convergente, seu limite existe:

lim n → ∞ ⁡ a n

Hmmm... interessante... vamos começar!

Passo 2

Beleza, galera? Primeiro vamos provar que a sequência é crescente, usando indução. Provar uma afirmação por indução é provar que ela vale pra qualquer número n inteiro.

Nossa sequência é:

a 1 = 2

a n + 1 = 2 + a n

Vamos olhar pro interior das raízes. A gente começa com um valor positivo e depois vai adicionando 2 ao valor anterior. Isso significa que que esse valor está crescendo.

E se temos dois valores em que um é maior que outro, a raiz do maior é maior que a raiz do menor. Matematicamente, se:

a k + 1 > a k

Então,

a k + 1 > a k

E se isso vale pra qualquer k , então acabamos de provar por indução que a sequência é crescente!

Passo 3

Show! Agora também usaremos indução pra provar que a sequência é limitada superiormente por 3 . A afirmação que queremos provar é que a n < 3 , para todo n ≥ 1 , certo?

Como a 1 = 2 < 3 , a afirmação já vale pra n = 1 , né?

Será que vale pra n = k + 1 ?

Vamos contra o que queremos provar e assim a gente vai achar uma incorência. Vamos dizer algo que a gente já sabe que não pode, que um termo é igual a 3:

a k = 3

Então:

a k + 1 = 2 + a k = 2 + 3 = 5 < 3

O termo seguinte é menor! Mas a gente já tinha provado que a sequência é sempre crescente, então isso não pode acontecer! Está provado.

Passo 4

Já provamos que a sequência é crescente e que é limitada superiormente por 3 . Como ela está sempre crescendo, o primeiro termo a 1 é quem a limita inferiormente. Sendo assim, podemos dizer que ela é limitada.

Como vimos no passo 1, o Teorema da Sequência Monótona nos diz que toda sequência monótona (crescente ou decrescente) e limitada é convergente, ou seja, tem um limite. Como já dito, nossa sequência satisfaz as condições do Teorema, pois é monótona (crescente) e limitada. Então, isso mostra que lim n → ∞ ⁡ a n existe, beleza?

Agora vamos pro item (b).

Passo 5

(b) Agora vamos ao cálculo desse limite da sequência. Pra isso, podemos tomar o limite no infinito dos dois lados da equação que mostra a relação de recorrência entre os termos da sequência:

a n + 1 = 2 + a n

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 = l i m n → ∞   2 + a n

Lembrando aqui de uma coisa MUITO IMPORTANTE! Nós podemos usar o seguinte fato para sequências convergentes:

lim n → ∞ ⁡ a n + 1 = lim n → ∞ ⁡ a n

lim n → ∞ ⁡ a n = l i m n → ∞   2 + a n

Usando a propriedade de continuidade:

lim n → ∞ ⁡ a n = 2 + lim n → ∞ ⁡ a n

Pra ficar mais intuitivo de resolver essa equação, vamos chamar o limite de L , beleza?

lim n → ∞ ⁡ a n = L

Substituindo:

L = 2 + L

L 2 = 2 + L

L 2 - L - 2 = 0

L = - 1       o u       L = 2

Como o primeiro termo da sequência é positivo e a sequência é crescente, o limite jamais poderia ser negativo, então eliminamos essa raiz da equação. Ficamos com:

lim n → ∞ ⁡ a n = 2

Resposta

lim n → ∞ ⁡ a n = 2

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