Enunciado

Use o Teste da Integral para determinar se a série é convergente ou divergente.

6-

∑ n = 1 ∞ e - n

Passo 1

Fala, meus amigos! Tudo na paz?

Precisamos determinar se nossa série:

∑ n = 1 ∞ e - n

Converge ou diverge. Para isso vamos aplicar o Teste da Integral:

Suponha que f seja uma função contínua, positiva e decrescente em [ 1 , ∞ ) e seja a n = f n . Então a série ∑ n = 1 ∞ a n é convergente se, e somente se, a integral imprópria for convergente, ou seja, se o limite da integral imprópria existe. Em outras palavras:

(i) Se ∫ 1 ∞ f x d x for convergente, então ∑ n = 1 ∞ a n   é convergente.

(ii) Se ∫ 1 ∞ f x d x for divergente, então ∑ n = 1 ∞ a n   é divergente.

Caso não se lembre, quando temos uma integral imprópria, que é o nosso caso, para resolvermos temos que aplicar o seguinte limite:

∫ 1 ∞ f ( x ) d x = lim n → ∞ ⁡ ∫ 1 n f ( x ) d x

Antes disso vamos precisar analisar nossa função e ver se ela cumpre os requisitos para o uso do Teste da Integral.

Passo 2

Primeiramente temos que fazer a integral de uma função que aceite valores diferentes dos números naturais, para isso vamos usar a variável x ao invés de n . E a somatória ao invés da integral.

Vamos analisar f x = e - n = 1 e n   : vemos que os termos sempre serão positivos e que não temos restrições para os valores que x pode assumir, portanto a função é positiva e contínua. Podemos ver também que a função é decrescente:

f x = 1 e n

Pois quanto mais n cresce maior fica o denominador e menor ficam os termos da sequência.

Passo 3

∫ 1 ∞ e - x   d x   = lim n → ∞ ⁡ ∫ 1 n e - x   d x  

Calculando a integral que temos dentro do limite:

Aplicando a substituição:

u = - x

Teremos:

d u = - d x

Logo:

- ∫ e u d u = - e u

Logo se voltarmos para o domínio de x :

- e - x 1 n

Aplicando o intervalo teremos:

∫ 1 n e - x   d x = - e - n + e - 1

Passo 4

Agora que já resolvemos nossa integral, vamos voltar para o limite.

lim n → ∞ ⁡ - e - n + e - 1 = l i m n → ∞ 1 e n + 1 e

Por fim, calculamos nosso limite. Como n cresce infinitamente nosso primeiro termo vai tender a zero e nosso segundo termo permanece constante, pois não depende de n :

l i m n → ∞ 1 e n + 1 e = 0 + 1 e

Como deu um número constante 1 / e logo isso nos diz que a integral converge e por consequência, a série é convergente.

lim n → ∞ ⁡ ∫ 1 n e - x   d x   = 1 e

Resposta

Série convergente.

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