Calcule o termo geral da expansão em série de potências de ( x - 1 ) da função abaixo e ache seu intervalo de convergência.

y x = 1 x 2 - 8 x + 15

Passo 1

Se queremos escrever o termo geral em série de potências de x - 1 , precisamos que apareça esse termo na nossa função. Então vamos começar escrevendo que:

x 2 - 8 x + 15 = x - 3 x - 5

E então veja que se escrevermos:

1 x 2 - 8 x + 15 = A x - 3 + B x - 5 = A x - 5 + B x - 3 x - 3 x - 5

E resolvendo o sistema:

A + B = 0

- 5 A - 3 B = 1

Encontramos: A = - 1 2 e B = 1 2 .

Reescreveremos a função assim:

1 x 2 - 8 x + 15 = - 1 2 x - 3 + 1 2 x - 5 = 1 2 1 x - 5 - 1 x - 3

Passo 2

Como queremos que apareça o termo x - 1 , vamos escrever que:

1 2 1 x - 5 - 1 x - 3 = 1 2 1 x - 1 - 4 - 1 x - 1 - 2 = 1 2 1 2 - x - 1 - 1 4 - x - 1

E agora repare que podemos escrever essa função como uma soma de uma Progressão Geométrica, cuja razão será descoberta a seguir:

Veja que:

1 2 - x - 1 = 1 2 1 1 - x - 1 2

E também:

1 4 - x - 1 = 1 4 1 1 - x - 1 4

E esses termos da forma:

1 1 - a

São exatamente a fórmula da soma de uma PG de razão a e primeiro termo igual a 1 . Portanto, podemos escrever que:

1 2 1 1 - x - 1 2 = 1 2 ∑ n = 0 ∞ x - 1 2 n

1 4 1 1 - x - 1 4 = 1 4 ∑ n = 0 ∞ x - 1 4 n

Passo 3

E agora voltando pra expressão de y x :

1 x 2 - 8 x + 15 = 1 2 1 2 - x - 1 - 1 4 - x - 1 = 1 2 1 2 1 1 - x - 1 2 - 1 4 1 1 - x - 1 4

y x = 1 2 1 2 ∑ n = 0 ∞ x - 1 2 n - 1 4 ∑ n = 0 ∞ x - 1 4 n

E colocando o termo que queremos x - 1 n em evidência:

y x = ∑ n = 0 ∞ 1 2 n + 2 - 1 2 2 n + 3 x - 1 n

Passo 4

Quanto ao intervalo de convergência, devemos calcular o raio R de convergência que será dado por:

R = lim n → ∞ ⁡ a n a n + 1

Com a n = 1 2 n + 2 - 1 2 2 n + 3 . Então:

R = lim n → ∞ ⁡ 1 2 n + 2 - 1 2 2 n + 3 1 2 n + 1 + 2 - 1 2 2 n + 1 + 3 = 2

E como o centro da expansão da série é x 0 = 1 . Os extremos do intervalo serão - 1 e 3 . Basta saber se esses extremos pertencem ao intervalo ou não.

Passo 5

Substituindo os valores dos extremos no lugar de x na expansão da série e estudando a convergência, concluímos que:

Pra x = - 1 , diverge! E pra x = 3 , diverge!

Resposta

y x = ∑ n = 0 ∞ 1 2 n + 2 - 1 2 2 n + 3 x - 1 n

I n t e r v a l o   d e   c o n v e r g ê n c i a = - 1,3

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Suponha que a série de potências ∑ c n x - a n satisfaça c n ≠ 0 para todo n . Mostre que, se l i m n → ∞c n c n + 1 existir, então ele será igual ao raio de convergência da série de potências.
Encontre o raio de convergência e o intervalo de convergência da série: ∑ n = 1 ∞ - 2 n x n n 4
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