Enunciado

Use a soma dos dez primeiros termos para aproximar a soma da série. Estime o erro.

∑ n = 1 ∞ 1 n 4 + 1  

Passo 1

Vamos lá galera, essa questão exige duas etapas. A primeira é calcular os dez primeiros termos da série e fazer a soma, bem simples né? A segunda etapa é estimar o erro dessa soma. Veja bem, se a série contém infinitos termos. Nós nunca teremos o valor exato da série ao somar um número finito de termos. Ou seja, sempre haverá uma diferença entre esses valores.E é essa diferença que vamos estimar. Tranquilo por aqui? Então vamos colocar a mão na massa?

Passo 2

Para estimar a soma com N termos basta fazer

s ≈ ∑ n = 1 N 1 n 4 + 1

Como a questão pede com os 10 primeiros termos N = 10

s ≈ ∑ n = 1 10 1 n 4 + 1

Teremos:

1 2 + 1 2 4 + 1 + 1 3 4 + 1 + 1 4 4 + 1 + 1 5 4 + 1 + 1 6 4 + 1 … .

Para este cálculo, podemos usar um software matemático

s ≈ 1,24856

Passo 3

Basicamente iremos utilizar uma segunda série que seja possível calcular seu valor exato. Por exemplo a série geométrica, e que seja parecida com a nossa série. Baseada no erro encontrado para essa série parecida, poderemos estimar o erro R n para a nossa série.

Veja:Nossa série é: ∑ n = 1 10 1 n 4 + 1

Observando o elemento mais significativo (de maior pot��ncia) no numerador e no denominador vamos ter:

∑ n = 1 10 1 n 4 =   ∑ n = 1 10 1 n 2

Então usaremos essa série que chamaremos de b n para fazer a comparação.

Passo 4

Ora, sabemos que

1 n 4 + 1 < 1 n 2

Para qualquer valor de n .

Usando

b n = 1 n 2

Pois a n < b n , ∀ n . Podemos estimar o erro T N pelo teste da integral

T N ≤ ∫ N ∞ 1 x 2 d x  

Sendo R n o erro para a nossa série.

E como R N ≤ T N , podemos afirmar que

R N ≤ ∫ N ∞ 1 x 2 d x

Calculando a integral

∫ N ∞ 1 x 2 d x = lim k → ∞ ⁡ ∫ N k 1 x 2 d x

lim k → ∞ ⁡ - 1 x N k = lim k → ∞ ⁡ - 1 k + 1 N = 1 N

Então temos que

R N < 1 N

Como estamos usando N = 10

R N < 0,1

Resposta

s ≈ 1,24856

e r r o < 0,1

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