Enunciado

Teste a convergência ou divergência das séries.

∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n - 1 n 2 + n

Passo 1

Olá pessoal, tudo bem?

Nesse exercício vamos analisar a convergência da série ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 n - 1 n 2 + n .

Podemos observar que esta série é alternada porque o termo - 1 n - 1 , que alterna os sinais dos termos da série. Por isso, vamos utilizar o Teste da Série Alternada para determinar sua convergência.

O teste da série alternada diz que uma série ∑ n = 1 ∞ - 1 n - 1 a n converge se:

  1. a n é uma sequência decrescente.
  2. l i m n → ∞ a n = 0 .

Passo 2

Vamos verificar se a n = n - 1 n 2 + n é decrescente. Neste caso, podemos observar que à medida que n cresce, n 2 + n cresce mais rapidamente que n - 1 , fazendo com que a função n - 1 n 2 + n seja decrescente.

Para mostrar isso de maneira mais clara, vamos comparar a n com a n + 1 :

a n = n - 1 n 2 + n

a n + 1 =   ( n + 1 ) - 1 ( n + 1 ) 2 + ( n + 1 ) = n n 2 + 3 n + 2

Precisamos mostrar que a n + 1 ≤ a n :

n n 2 + 3 n + 2 ≤ n - 1 n 2 + n

Multiplicando cruzado para comparar, temos:

( n ) ( n 2 + n )   ≤ ( n - 1 ) ( n 2 + 3 n + 2 )

n 3 + n 2 ≤ n 3 + 2 n 2 - n - 2 )

Depois de eliminar os termos semelhantes e organizar a desigualdade, ficaremos com:

0 ≤ n 2 - n - 2

Esta desigualdade é verdadeira para n ≥ 2 , o que mostra que a n é decrescente para n ≥ 2 .

Passo 3

Agora, vamos verificar se l i m n → ∞ n - 1 n 2 + n = 0

Dividindo o numerador e denominador por n 2 , temos:

lim n → ∞ ⁡ n n 2 - 1 n 2 1 + 1 n

lim n → ∞ ⁡ 1 n - 1 n 2 1 + 1 n

Colocando o termo 1 n em evidência no numerador, temos:

lim n → ∞ ⁡ 1 n 1 - 1 n   1 + 1 n

Quando n cresce, 1 n e 1 n 2 tendem a 0. Portanto, a expressão se simplifica para:

lim n → ∞ ⁡ 0 ( 1 - 0 ) 1 + 0 = 0

Portanto, o limite de n - 1 n 2 + n quando n tende ao infinito, é 0:

lim n → ∞ ⁡ n - 1 n 2 + n = 0

Como os dois critérios do teste da série alternada foram satisfeitos, então a série é convergente.

Resposta

Pelo teste da série alternada a série é convergente.

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