Enunciado

  1. Suponha que ∑ a n e ∑ b n sejam séries com termos positivos e ∑ b n seja convergente. Demonstre que se
  2. lim n → ∞ ⁡ a n b n = 0

    então, ∑ a n também é convergente.

  3. Use a parte (a) para mostrar que as séries convergem.
  1. ∑ n = 1 ∞ ln ⁡ n n 3
  2. ∑ n = 1 ∞ ln ⁡ n n   e n

Passo 1

Vamos lá. Primeiramente precisamos entender que nessa seção do livro é esperado que se resolva os exercícios utilizando os testes de comparação.

Os testes de comparação são utilizados para solucionar uma série a partir do resultado de outra. E é justamente esse teste de comparação que utilizaremos nos próximos passos.

Vamos relembrar o teorema da comparação?

A primeira parte do teorema da comparação diz:

“Se ∑ b n   for convergente e a n ≤ b n para todo n, então ∑ a n também será convergente.”

Passo 2

(a)

Sabemos que ∑ a n e ∑ b n são positivos. E sabemos também que:

lim n → ∞ ⁡ a n b n = 0 ⁡

Isso significa que a n deve ser menor que b n para qualquer n . Pois temos um b n indo ao infinito mais rápido que o a n .

Como b n é convergente, pelo teste da comparação, a n também vai ser!

Passo 3

(b)

  1. Temos que utilizar o teorema do passo 02 para avaliar a convergência da seguinte série:
  2. ∑ n = 1 ∞ ln ⁡ n n 3

    Considerando:

    ln ⁡ n n 3 = a n

    De modo que precisamos de um b n que seja positivo, que seja ≥   a n e que ∑ b n   seja certamente convergente. Podemos utilizar então:

    b n = 1 n 2

    Pois é uma série-p com p   =   2 .

    Portanto temos:

    lim n → ∞ ⁡ a n b n = lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n 3 1 n 2

    Calculando o limite:

    lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n 3 ⋅ n 2 = lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n

    Aplicando L’Hospital

    lim n → ∞ ⁡ 1 / n 1 = 0

    Como

    lim n → ∞ ⁡ a n b n = 0

    E ∑ b n converge, pois é uma série-p com p = 2 , temos que:

    ∑ n = 1 ∞ ln ⁡ n n 3

    Também converge.

    Passo 4

  3. Devemos utilizar os mesmos procedimentos do passo anterior para a série:

a n = ln ⁡ n n   e n

Novamente precisamos utilizar algum b n que seja positivo, ≥ a n , e que ∑ b n seja certamente convergente.

Utilizaremos:

b n = 1 e n

Pois é uma série geométrica com r = 1 e .

lim n → ∞ ⁡ a n b n = lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n   e n 1 e n

lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n   e n ⋅ e n = lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n

Aplicando L’Hospital

lim n → ∞ ⁡ ln ⁡ n n = lim n → ∞ ⁡ 1 / n 1 / 2 n

Fazendo a divisão de frações

lim n → ∞ ⁡ 1 n ⋅ 2 n = lim n → ∞ ⁡ 2 n = 0

Como

lim n → ∞ ⁡ a n b n = 0

temos que:

∑ n = 1 ∞ ln ⁡ n n   e n

Também converge.

Resposta

Demonstração feita pelo teorema da comparação.

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