Post on 14-Jun-2015
Cálculo Diferencial em R
Séries Numéricas e de Potências— Caderno 1 —
––––––––––––––––––––––––––––––––-
� 2011-2012 / 1o Semestre
� EI / ETI / ETI-PL––––––––––––––––––––––––––––––––-
� Elaborado por Rosário LaureanoDMQ — Dpto de Métodos Quantitativos
1
1 Cálculo Diferencial em R
1.1 Limites e continuidade
Sejam f : Df ⊆ R → R uma função real (escalar) de variável real ea ∈ R um ponto de acumulação1 de Df .
Definição 1 O número real L é o limite de f no ponto a, e escreve-sef (x) −→ L quando x −→ a ou L = limx→a f (x), se
∀δ > 0 ∃ε = ε (δ) > 0 | ∀x ∈ Df ∧ 0 < |x− a| < ε =⇒ |f(x)− L| < δ
(para todo o δ > 0 existe ε > 0, dependente do δ tomado, tal que a distânciade f(x) a L é inferior a δ sempre que a distância de x a a é inferior a ε,para x ∈ Df \ {a}).
A condição 0 < |x− a| < ε significa que x ∈ ]a− ε, a+ ε[ e x = a. Aexistência de limite traduz-se intuitivamente por "os valores f (x) e L serãoarbitrariamente próximos (ou seja, a distância |f(x)− L| será tão pequenaquanto se queira) sempre que nos limitemos a considerar valores de x su-ficientemente próximos de a (isto é, desde que |x− a| seja suficientementepequeno)". Contudo, a existência do limite de f no ponto a nada informa2
acerca do valor da função f no ponto a. O limite de f no ponto a, quandoexiste, é único.
A definição de limite exige que existam e tenham o mesmo valor oslimites da função f restringida a qualquer subconjunto do seu domínio, ou
1Considerando definida em R a distância euclidiana, um ponto a ∈ R é um ponto deacumulação de D ⊆ R se a todo o intervalo aberto centrado em a pertence pelo menosum ponto de D distinto de a, ou seja,
∀ε > 0 ∃x ∈ D \ {a} | x ∈ ]a− ε, a+ ε[ .
Na verdade, tal implica que em qualquer vizinhança de a existem infinitos pontos de D,ou seja,
∀ε > 0, ]a− ε, a+ ε[ ∩D é um conjunto infinito.
O intervalo ]a− ε, a+ ε[ pode designar-se por bola aberta de centro em a e raio ε. Umponto que não é de acumulação de D diz-se um ponto isolado. O conjunto de todos ospontos de acumulação do conjunto D designa-se por derivado de D e denota-se por D′.
2Tal valor f(a) pode nem existir e, mesmo no caso em que a ∈ D, podemos ter
limx→a
f (x) = L �= f(a).
2
seja, que sejam iguais todos os limites relativos da função f . Na recta real, aaproximação a um ponto a faz-se através de uma única direcção. No entanto,podemos considerar nessa direcção a aproximação pela esquerda, x → a−,ou pela direita, x → a+, sempre que tal faça sentido face ao domínio dafunção f . Trata-se de considerar os limites relativos
limx→a−
f (x) = limx→a ∧ x<a
f (x) e limx→a+
f (x) = limx→a ∧ x>a
f (x) ,
que se designam por limites laterais de f no ponto a. Sendo estes osúnicos limites relativos possíveis, é condição necessária para que exista olimite de f no ponto a que eles existam e tenham o mesmo valor,
limx→a−
f (x) = limx→a+
f (x) = L = limx→a
f (x) .
Como tal, a não-existência de limite no ponto a decorre simplesmente dadetecção de valores diferentes nos dois limites laterais,
limx→a−
f (x) = limx→a+
f (x) .
Quando, face ao domínio da função f , apenas faz sentido uma das aproxi-mações laterais, o valor do limite corresponde a esse limite lateral.
Proposition 2 Sejam f : Df ⊆ R→ R e g : Dg ⊆ R→ R funções reais devariável real e a ∈ R um ponto de acumulação de Df e de Dg. Se existiremos limites limx→a f (x) e limx→a g (x) então também existem nesse ponto aos limites
P1. da soma e da diferença das funções
limx→a
(f ± g) (x) = limx→a
f (x)± limx→a
g (x) ,
P2. do produto das funções
limx→a
(f × g) (x) = limx→a
f (x)× limx→a
g (x) ,
P3. do produto da função por uma constante c ∈ R
limx→a
(c× f) (x) = c× limx→a
f (x) ,
P4. e, sempre que limx→a g (x) = 0, do quociente das funções
limx→a
(f
g
)(x) =
limx→a f (x)
limx→a g (x).
3
A função f tende para +∞ quando x −→ a (escreve-se limx→a f (x) =+∞) se3
∀K > 0 ∃ε = ε (K) > 0 | ∀x ∈ Df ∧ 0 < |x− a| < ε =⇒ f(x) > K.
A função f tende para −∞ quando x −→ a (escreve-se limx→a f (x) =−∞) se a função (−f) tende para +∞ quando x −→ a.
SejaDf um subconjunto não majorado de R. O número real L é o limitede f quando x −→ +∞ (escreve-se L = limx→+∞ f (x)) se4
∀δ > 0 ∃x0 = x0 (δ) ∈ R | ∀x ∈ Df ∧ x > x0 =⇒ |f(x)− L| < δ.
Se L = limx→+∞ f (x) ou L = limx→−∞ f (x) então o gráfico de f temy = L como assimptota horizontal. A função f tende para +∞ quandox −→ +∞ (escreve-se limx→+∞ f (x) = +∞) se5
∀K > 0 ∃x0 = x0 (K) ∈ R | ∀x ∈ Df ∧ x > x0 =⇒ f(x) > K.
São válidas as seguintes operações, no sentido de limite (L ∈ R),
(+∞) + (+∞) = +∞ , (+∞) + L = +∞
(−∞) + (−∞) = −∞ , (−∞) + L = −∞
(±∞) · (±∞) = +∞ , (±∞) · (L positivo) = ±∞
(±∞) · (∓∞) = −∞ , (±∞) · (L negativo) = ∓∞
(±∞)
L positivo= ±∞ ,
L positivo(±∞)
= 0± ,(±∞)
0±= +∞ ,
0±
(±∞)= 0+
(±∞)
L negativo= ∓∞ ,
L negativo(±∞)
= 0∓ ,(±∞)
0∓= −∞,
0∓
(±∞)= 0−
3para todo K > 0 existe ε > 0, dependente do K tomado, tal que as imagens f(x)superam o valor de K sempre que a distância de x a a é inferior a ε, para x ∈ Df \ {a} .
4para todo δ > 0 existe x0, dependente do δ tomado, tal que a distância de f(x) a L
é inferior a δ sempre que x é maior do que x0, para x ∈ Df .5para todo K > 0 existe x0, dependente do K tomado, tal que as imagens f(x) superam
o valor de K sempre que os objectos x superam o valor de x0, para x ∈ Df .
4
enquanto
(±∞)− (±∞) =? , 0 · (±∞) =? ,0
0=? e
(±∞)
(±∞)=?
são indeterminações.
Consideremos que f(x) > 0 para todo x ∈ Df . Temos
limx→a
[f (x)g(x)
]=[limx→a
f (x)]limx→a g(x)
sempre que não ocorra uma das indeterminações
00 =? , 1(±∞) =? e (+∞)0 =? .
No entanto, dada a igualdade
f (x)g(x) = exp [g (x) · ln f (x)] ,
(exp denota a exponencial de Neper e ln o logarítmo respectivo) estas inde-terminações podem ser resolvidas através da indeterminação 0 · (±∞).
Limites de referência:
limx→0
sinx
x= 1, lim
x→0
tanx
x= 1, lim
x→0
ln (x+ 1)
x= 1
limx→+∞
ax
xp= +∞ (a > 1, p ∈ R), lim
x→+∞
loga x
xp= 0 (a > 1, p ∈ R+)
limx→0
expx− 1
x= 1, lim
x→+∞
(1 +
k
x
)x= exp k
Definição 3 Seja f : Df ⊆ R → R uma função real de variável real ea ∈ R. A função f diz-se contínua no ponto a se e só se são verificadasas três condições seguintes: (i) existe a imagem f (a), ou seja, a ∈ Df ; (ii)existe o limite limx→a f (x); (iii) são iguais os elementos garantidos em (i)e (ii), ou seja6,
limx→a
f (x) = f (a) .
A função f diz-se contínua se for contínua em todos os pontos do seudomínio.
6Temos então
∀δ > 0 ∃ε = ε (δ) > 0 | ∀x ∈ Df ∧ 0 < |x− a| < ε =⇒ |f(x)− f(a)| < δ.
5
A continuidade de f no ponto a traduz-se intuitivamente por "os valoresf (x) e f (a) serão arbitrariamente próximos (isto é, a distância |f(x)− f(a)|será tão pequena quanto se queira) sempre que limitemos a considerar valoresde x suficientemente próximos de a (isto é, desde que |x− a| seja suficien-temente pequeno)".
1.2 Funções trigonométricas
Sabemos que as funções trigonométricas seno, coseno e tangente sãoperiódicas, não sendo portanto injectivas nos domínios Dsin = Dcos = R
e Dtan = R \ {kπ/2}k∈Z. No entanto, podemos considerar as restriçõesprincipais:
para y = sinx apenas x ∈[−π
2,π
2
]
para y = cosx apenas x ∈ [0, π]
para y = tanx apenas x ∈]−π
2,π
2
[
dessas funções, as restrições que permitem garantir a injectividade (cadaimagem ser "exclusiva" de um objecto) e manter todos os valores dos res-pectivos contradomínios. Para estes domínios mais restrictos, existem asfunções inversas:
x = arcsin y (arco-seno de y) com y ∈ [−1, 1]x = arccos y (arco-coseno de y) com y ∈ [−1, 1]x = arctan y (arco-tangente de y) com y ∈ R.
Por exemplo, sabendo que cos (π/3) = 1/2, podemos escrever que
π
3= arccos
(1
2
).
Trata-se de inverter os papeis das variáveis x e y, não os seus valores. Por-tanto, arccos (1/2) designa o ângulo (em radianos) cujo coseno é 1/2, ouseja, o ângulo π/3. Por outro lado, o valor inverso de cos (π/3), que é 2, édesignado por secante de π/3,
sec(π3
)=
1
cos(π3
) =1
1/2= 2.
6
Sabendo que sin (π/3) =√3/2, podemos escrever que π/3 = arcsin
(√3/2)
e obter também a cosecante de π/3,
csc(π3
)=
1
sin(π3
) =1√3/2
=2√3.
Sabendo que tan (π/3) =√3, podemos escrever que π/3 = arctan
√3 e obter
também a cotangente de π/3,
cot(π3
)=
1
tan(π3
) =1√3.
função trigonom. função trigonom. inversa valor inverso
y = sinx x = arcsin y w =1
sinx= cscx
y = cosx x = arccos y w =1
cosx= secx
y = tanx =sinx
cosxx = arctan y w =
1
tanx= cotx
Também se designa por arco-cotangente de y o valor do ângulo (medido emradianos) cuja cotangente é y.
Da fórmula fundamental da trigonometria (f.f.t),
sin2 x+ cos2 x = 1
obtemos (dividindo por cos2 x = 0)
tan2 x+ 1 =1
cos2 x,
assim como (dividindo por sin2 x = 0)
1 + cot2 x =1
sin2 x.
Da fórmula de duplicação de ângulo para o coseno
cos (2x) = cos2 x− sin2 x
7
obtemos (usando cos2 x = 1− sin2 x)
sin2 x =1− cos(2x)
2,
assim como (usando sin2 x = 1− cos2 x)
cos2 x =1+ cos(2x)
2.
A fórmula de duplicação de ângulo para o seno é
sin (2x) = 2 sin (x) cos (x) .
1.3 Derivação e Fórmula de Taylor
Derivada (de ordem 1) de uma função f num ponto a do seudomínio:
f ′(a) = limx→a
f (x)− f (a)
x− a= limh→0
f (a+ h)− f (a)
h
O número real f ′(a) é o declive da recta tangente ao gráfico de f no ponto(a, f(a)), cuja equação é
y − f(a) = f ′(a) (x− a) .
A recta normal ao gráfico de f no ponto (a, f(a)) tem por declive − 1
f ′(a)e
a sua equação é
y − f(a) = − 1
f ′(a)(x− a) .
Uma função é crescente nos pontos em que a derivada é positiva e de-crescente nos pontos em que a derivada é negativa. Os valores de x nosquais a derivada é nula, designados por pontos críticos, são os "candidatos"a extremos (máximos ou mínimos) relativos da função.
Se a função f define a trajectória de uma partícula em movimento nodecurso do tempo, a derivada f ′(a) é a velocidade instantânea da partículano instante de tempo t = a.
Definem-se as derivadas de ordem superior a 1:
8
de ordem 2 : f ′′(x) = f ′[f ′ (x)
], também denotada por f (2)(x)
de ordem 3 : f ′′′(x) = f ′[f ′′ (x)
], também denotada por f (3)(x)
· · ·de ordem n : f (n)(x) = f ′
[f (n−1) (x)
].
Também se pode escrever f (1)(x) em vez de f ′ (x) e f (0)(x) em vez de f (x).
Regra de derivação da função composta:
(f ◦ u)′ (x) = f ′ (u(x)) · u′(x). (1)
Regra de derivação da função inversa:
(f−1
)′(y) =
1
f ′(x)em que y = f(x). (2)
Consideremos u = u(x) e v = v(x). Em consequência de (1), são válidasas regras operacionais de derivação
(u± v)′ = u′ ± v′ e (k · u)′ = k · u′ (para k ∈ R)
(u · v)′ = u′ · v + u · v′ e(uv
)′=
u′ · v − u · v′v2
(up)′ = p · up−1 · u′ (para p ∈ Q),a regra de derivação da exponencial (para a > 0, a = 1)
(au)′ = u′ · au · ln a (em particular (expu)′ = u′ · expu ),
e as regras de derivação das funções trigonométricas
(sinu)′ = u′ · cosu e (cosu)′ = −u′ · sinu
(tanu)′ =u′
cos2 u= u′ · sec2 u e (cotu)′ = − u′
sin2 u= −u′ · csc2 u .
Usando (1) e (2), obtemos as regras de derivação para as funções inversas(para a > 0, a = 1)
(loga u)′ =
u′
u · lna(em particular, (lnu)′ =
u′
u)
9
(arctanu)′ =u′
1 + u2e (arccotu)′ = − u′
1 + u2
(arcsinu)′ =u′√
1− u2e (arccosu)′ = − u′√
1− u2.
Por exemplo, de y = arcsinx obtem-se x = sin y e, por (2),
(arcsinx)′ =1
(sin y)′=
1
cos y.
Como cos y =√1− sin2 y =
√1− x2, temos
(arcsinx)′ =1√
1− x2.
Por (1) concluímos então que
(arcsinu)′ =1√
1− u2· u′ = u′√
1− u2.
Analogamente, de y = arctanx obtem-se x = tan y e, por (2),
(arctanx)′ =1
(tan y)′=
11
cos2 y
Como1
cos2 y= 1 + tan2 y = 1+ x2, temos
(arctanx)′ =1
1 + x2.
Por (1) concluímos então que
(arctanu)′ =1
1 + u2· u′ = u′
1 + u2.
Definição 4 Sejam f : Df ⊆ R → R uma função real de variável real ea ∈ Df um ponto interior a Df . Se existem com valor real as derivadas detodas as ordens da função f no ponto a define-se o desenvolvimento (ousérie) de Taylor de f no ponto x = a como sendo
f(x) = f(a) + f ′(a) · (x− a) +f ′′(a)
2· (x− a)2 +
f (3)(a)
3!· (x− a)3 + · · ·
10
ou seja,
f(x) =∑
n≥1
f (n−1)(a)
(n− 1)!· (x− a)n−1 .
Quando a = 0, o desenvolvimento
f(x) = f(0)+f ′(0) ·x+ f ′′(a)
2·x2+ f (3)(a)
3!·x3+ · · · =
∑
n≥1
f (n−1)(0)
(n− 1)!·xn−1
diz-se o desenvolvimento (ou série) de MacLaurin de f .
Assume-se que f (0)(a) = f(a). O factorial de n ≥ 1, que é denotado porn!, é definido como
n! = n · (n− 1) · (n− 2) · · · · · 3 · 2 · 1.
Por convenção, o factorial de 0 é 1, 0! = 1.O desenvolvimento de Taylor (e de MacLaurin) é válido no domínio de
convergências da série de Taylor (e de MacLaurin) que lhe corresponde. Adeterminação do domínio de convergência é tratado no âmbito das séries depotências.
Sempre que consideramos apenas um número finito n de termos no de-senvolvimento de Taylor (ou de MacLaurin), obtemos uma aproximação(polinomial) de Taylor (ou de MacLaurin) da função com erro deordem n+ 1.
1.4 Exercícios propostos
1. Represente graficamente as funções:
(a) f(x) = −x2, g(x) = x2 − 3 e h(x) = (x− 3)2
(b) f(x) =√x, g(x) =
√1 + x e h(x) =
√1− x
(c) f(x) = 1/x, g(x) = 1/x2 e h(x) = 1/√x
(d) f(x) = 1/ (x− 2), g(x) = 1/x− 2 e h(x) = 1/ |x− 2|
(e) f(x) = expx, g(x) = 1/ expx e h(x) = lnx.
2. Mostre que a parábola de equação y = x2+x+1 tem vértice no ponto(−1/2, 3/4) .
11
3. Considere a função
f(x) =x3 − 1
x− 1.
(a) Mostre que f(x) = x2 + x+ 1 para x = 1.
(b) Esboce o gráfico da função f .
(c) Mostre que
limx→1
f(x) = 3 e limx→−∞
f(x) = +∞.
4. Considere a funçãof(x) =
x√x+ 1− 1
.
(a) Mostre que f(x) =√x+ 1 + 1 para x ≥ −1 ∧ x = 0.
(b) Esboce o gráfico da função f .
(c) Mostre que
limx→0
f(x) = 2 e limx→+∞
f(x) = +∞
5. Considere a função
f(x) =
1 se x = 3
0 se x = 3.
(a) Esboce o gráfico da função f .
(b) Mostre que
limx→3
f(x) = 1 e limx→+∞
f(x) = 1.
(c) Justifique que a função f não é contínua.
6. Considere a função
f(x) =|x|x
.
(a) Esboce o gráfico da função f .
(b) Mostre que não existe limx→0 f(x) e que limx→−∞ f(x) = −1.(c) Mostre que a função f é contínua.
12
7. Mostre que não existe o limite
limx→5
x+ 5
x− 5.
8. Resolva as seguintes indeterminações
(a) limx→−1 (x+ 1) /f(x), limx→−∞ f(x) e limx→+∞ 1/f(x) com
f(x) = x3 + x2.
(b) limx→−1 g(x) e limx→−∞ g(x) com
g(x) =x2 + 1
x+ 1.
9. Considere a função f(x) = 1/x. Resolva as seguintes indeterminações:
(a) limx→+∞
[x3 · f(x)
], limx→+∞ [x · f(x)] e limx→+∞ [
√x · f(x)]
(b) limx→0
[x3 · f(x)
], limx→0 [x · f(x)] e limx→0+ [
√x · f(x)] .
10. Escreva a expressão da primeira derivada de cada uma das seguintesfunções:
(a) f(x) = 4x3 + 3x+1
x+ 5√x
(b) f(x) = 2(5 + expx2
)(3
x+
x
3
)
(c) f(x) = (2x− 3)4 − ln(2x3)+ cosx
(d) f(x) = cos3 x− 6 cos(x3)− tan(4x) + 5 sin (3x)
(e) f(x) =3x+ x2
5+ 4arcsin (2x)− cot
(x2)
(f) f(x) = sec (−3x) + csc (5x)− 4 arctan(x3).
11. Considere a função f(x) = 4x2 + 2x.
13
(a) Determine a equação da recta tangente ao gráfico de f no pontode abcissa 1.
(b) Obtenha a equação da recta normal ao gráfico de f no ponto deordenada 12 e abcissa negativa.
(c) Determine as equações das rectas tangente e normal no vérticeda parábola de equação y = f(x).
12. Considere f(x) = (x+ 3)2. Utilize o desenvolvimento de MacLaurinpara escrever a função f como potências de x,
f(x) = x2 + 6x+ 9.
13. Utilize o desenvolvimento de MacLaurin para obter um polinómio deordem 3 que aproxime a função y = expx.
14. Utilize o desenvolvimento de MacLaurin para obter um polinómio
(a) de ordem 5 que aproxime a função y = sinx
(b) de ordem 4 que aproxime a função y = cosx.
1.5 Soluções5. (c) f não é contínua em x = 3.
8. (a) limx→−1x+ 1
f(x)= 1, limx→−∞ f(x) = −∞, limx→+∞
1
f(x)= 0
8. (b) limx→−1 g(x) não existe,
limx→−∞ g(x) = limx→−∞
(x− 1 +
2
x+ 1
)= −∞
9. (a) limx→+∞
[x3 · f(x)
]= +∞, limx→+∞ [x · f(x)] = 1,
limx→+∞ [√x · f(x)] = 0
9. (b) limx→0
[x3 · f(x)
]= 0, limx→0 [x · f(x)] = 1,
limx→0+ [√x · f(x)] = +∞
10. (a) f ′(x) = 12x2 + 3− 1
x2+
5
2√x
14
10. (b) f ′(x) = 2
[(2x expx2
)(3
x+
x
3
)+(5 + expx2
)(− 3
x2+
1
3
)]
10. (c) f ′(x) = 8 (2x− 3)3 − 3
x− sinx
10. (d) f ′(x) = −3 cos2 (x) sin (x) + 18x2 sin(x3)− 4
cos2 (4x)+ 15 cos (3x)
10. (e) f ′(x) =3 + 2x
5+
8√1− 4x2
+2x
sin2 (x2)
10. (f) f ′(x) = −3 sin (−3x)cos2 (−3x) −
5 cos (5x)
sin2 (5x)− 12x2
1 + x6
11. (a) y − 6 = 10 (x− 1)
11. (b) y − 12 =1
14(x+ 2)
11. (c) A parábola tem por zeros 0 e −1/2 logo a abcissa do vértice é−1/4. A ordenada do vértice é f (−1/4) = −1/4. A recta tangente éy = −1/4 e a recta normal é x = −1/4.
12. f ′(x) = 2 (x+ 3) , f ′′(x) = 2 e f (n)(x) = 0 para n ≥ 3. Temos então
f(x) = f(0) + f ′(0) · x+f ′′(0)
2· x2 + f (3)(0)
3!· x3 + · · ·
= 9+ 6 · x+2
2· x2 + 0
3!· x3 + · · · = 9 + 6x+ x2.
13. Dado que (expx)′ = expx, temos
expx � 1 + x+1
2x2 +
1
6x3.
14. (a) Temos f ′(x) = f (5)(x) = cosx, f ′′(x) = − sinx, f ′′′(x) = − cosx,e f (4)(x) = sinx. O polinómio pedido é
x− 1
6x3 +
1
120x5.
14. (b) Dado que cosx = (sinx)′ obtemos da alínea anterior que
cosx � 1− 1
2x2 +
1
24x4.
15
2 Séries numéricas e séries funcionaisDada uma sucessão (un)n∈N de números reais,
(un) : u1, u2, u3, · · · un, un+1, · · · ,
(a cada número natural n está associado o termo un de ordem n) podemosconsiderar a adição de todos os seus termos, uma infinidade de parcelas. Éo que se pretende com o conceito de série numérica.
Definição 5 A série numérica de termo geral un, que se denota por∑
n≥1un (
∞∑
n=1un,
∑
n∈N
un ou simplesmente∑
n
un), é a soma infinita dos termos
da sucessão real (un)n∈N,
∑
n≥1
un = u1 + u2 + u3 + · · ·+ un−1 + un + un+1 + · · · .
Embora o termo geral da série seja o termo geral da sucessão (un)n∈N, asérie
∑
n≥1un é distinta da sucessão (un)n∈N que lhe está associada. Enquanto
na primeira os termos estão adicionados entre si, na segunda estão "soltos"como sequência ordenada7.
2.1 Convergência e soma de uma sérieDada uma série numérica
∑
n≥1un, pode acontecer que o limite
limn
(u1 + u2 + u3 + · · ·+ un−1 + un)
exista como número real (i.e., seja finito). Neste caso a série diz-se conver-gente e o valor S desse limite diz-se a soma da série. No caso contrário,se não existe esse limite ou se é +∞ ou −∞, a série numérica diz-se di-vergente. Classificar uma série numérica como convergente ou divergenteé identificar a sua natureza. Temos a seguinte definição rigorosa.
7Uma série numérica pode estar definida apenas para valores de n a partir de umacerta ordem k. Nesse caso, escreve-se
∑
n≥k
un = uk + uk+1 + uk+2 + · · ·+ uk + uk+1 + uk+2 + · · · .
Também se podem considerar séries numéricas com início em n = 0,∑
n≥0
un.
16
Definição 6 Dada uma série numérica∑
n≥1un, define-se a sua sucessão
das somas parciais por Sn =n∑
i=1ui, ou seja,
(Sn)n∈N : u1, u1 + u2, u1 + u2 + u3, . . .
se a sucessão das somas parciais (Sn)n∈N for convergente com limite S,
limn
Sn = limn
(u1 + u2 + u3 + · · ·+ un−1 + un) = S,
a série diz-se convergente e o valor S diz-se a soma da série; se asucessão das somas parciais (Sn)n∈N for divergente (caso em que tende para+∞, tende para −∞ ou não tem limite), a série diz-se divergente.
Deste modo, a sucessão das somas parciais (Sn)n∈N determina a naturezada série numérica. Note que a sucessão (Sn)n∈N de somas parciais é distintada sucessão (un)n∈N que define a série. À primeira corresponde a sequência
S1 = u1, S2 = u1+u2, S3 = u1+u2+u3, . . . Sn = u1+u2+· · ·+un, . . .
enquanto à segunda corresponde a sequência
u1, u2, u3, . . . un, . . . .
A convergência de uma série traduz-se no essencial por: "a soma de todos(portanto, em número infinito) os termos da série acumula/não-excede umdeterminado valor; esse valor, conforme é intuitivo, é a soma da série".Podemos dizer que a série converge para essa soma.
Existem séries numéricas que têm designações bem especificas dada aestrutura do seu termo geral. A série numérica
∑
n≥1
1
n= 1 +
1
2+
1
3+
1
4+ · · ·+ 1
10+ · · · ,
é designada por série harmónica. Relativamente à sucessão (Sn)n∈N dassomas parciais, prova-se que
S2n ≥ 1 + n · 12.
Temos
limn
S2n ≥ limn
(1 + n · 1
2
)= 1 +
(+∞ · 1
2
)= 1+∞ = +∞,
17
o que mostra que a sucessão das somas parciais, da qual os termos S2n
constituem uma subsucessão, não converge para um valor finito. Concluímosentão que a série é divergente. Uma série numérica com a forma geral
∑
n≥1
un =∑
n≥1
1
nα,
para certo α ∈ R, é designada por série de Dirichlet. São convergentesse α > 1 e divergentes se α ≤ 1. Note que a série harmónica é um casoparticular de série de Dirichlet (com α = 1).
Uma série numérica que tem como termo geral uma progressão ge-ométrica (significa que cada termo resulta da multiplicação do termo an-terior por um valor constante) é designada por série geométrica. Asséries geométricas têm a forma geral∑
n≥1
un =∑
n≥1
(a · rn−1
)= a+a · r+a · r2+ a · r3+ · · ·+a · rn−1+a · rn+ · · ·
com a, r ∈ R e a = 0. O número real r é a razão da série numérica e a é ovalor do seu primeiro termo. O termo geral da sucessão de somas parciais édado por
Sn = (n+ 1)a
quando r = 1 (trata-se da série de termo geral constante igual a a), e é dadopor
Sn =a (1− rn)
1− r
quando r = 1. Concluímos então que a série é convergente se |r| < 1 (ouseja, se −1 < r < 1) com soma S igual a
S = limn
a (1− rn)
1− r=
a
1− r
(1− lim
nrn)=
a
1− r=
1o termo1− razão
(note que se −1 < r < 1 então rn → 0), e é divergente se |r| ≥ 1 (ou seja, ser ≤ −1 ∨ r ≥ 1) (note que se r = 1 temos Sn = (n+ 1)a→ +∞ · a = +∞,se r > 1 temos rn → +∞, e se r ≤ −1 não existe8 o limite de rn). Portanto,se −1 < r < 1 podemos escrever
∑
n≥1
un =∑
n≥1
(a · rn−1
)= a+ a · r + a · r2 + a · r3 + · · · = a
1− r.
8Se r = −1 temos∑
n≥1
[a · (−1)n−1
]= a− a+ a− a+ a− · · ·
18
Proposição 7 Se as séries numéricas∑
n≥1un e
∑
n≥1vn são convergentes e
têm somas S e S′, respectivamente, então a série numérica∑
n≥1(un + vn)
também é convergente e tem soma S + S′.
Proposição 8 Se a série numérica∑
n≥1un é convergente e tem soma S
então a série numérica∑
n≥1(α ·un), com α ∈ R, também é convergente e tem
soma α · S.
Resulta das proposições anteriores que se duas séries numéricas∑
n≥1un e
∑
n≥1vn são convergentes e têm somas S e S′, respectivamente, então a série
numérica∑
n≥1(α · un + β · vn), com α, β ∈ R, também é convergente e tem
soma α · S + β · S′.
Proposição 9 Se a série numérica∑
n≥1un é convergente e tem soma S e a
série numérica∑
n≥1vn é convergente e tem soma S′ então
∑
n≥1
(un ∗ vn) ≤ S ∗ S′.
2.2 Alguns critérios de convergência para séries determos não-negativos
A determinação de uma expressão analítica do termo geral Sn = u1 +u2+ · · ·+un da sucessão de somas parciais é uma situação pouco frequente.Ao contrário do que sucede com as séries geométricas, para a maioria dasséries numéricas
∑
n≥1un não é possível estabelecer uma tal expressão. Tal
impede o cálculo do limite de Sn e a obtenção do valor da soma S da série.No entanto, é usual fazer um estudo da série numérica por meios indirectos,através de critérios que permitem identificar a sua natureza.
mas a sucessão das somas parciais
Sn =
a se n ímpar
0 se n par
não tem limite (note que a �= 0), logo a série é divergente.
19
Proposição 10 (Critério do Termo Geral, Critério Geral de Con-vergência ouCondição Necessária de Convergência) Se a série numérica∑
n≥1un é convergente então
limn
un = 0.
Proof. Temos Sn = u1+ u2 + · · ·+ un e Sn−1 = u1+ u2+ · · ·+ un−1 (paran > 1). Assim, para n > 1, temos
Sn − Sn−1 = u1 + u2 + · · ·+ un − (u1 + u2 + · · ·+ un−1) = un.
Dado que a série é convergente, existe o limite de Sn. Suponhamos quelimn Sn = l. Também limn Sn−1 = l, donde
limn
un = limn
(Sn − Sn−1) = l − l = 0
conforme se pretende demonstrarEm consequência (por contra-recíproco) deste resultado, se limn un = 0
então a série numérica∑
n≥1un é divergente,
limn un = 0 =⇒ ∑
n≥1un série divergente .
De salientar: para uma série numérica∑
n≥1un ser convergente, NÃO
BASTA (não é suficiente) que o seu termo geral un convirja para 0 (comomostra o exemplo da série harmónica
∑
n≥1(1/n)), no entanto, tal é necessário
(como afirma a Proposição anterior).
Proposição 11 (Critério Geral da Comparação ouCritério da Com-paração - formulação 1) Sejam
∑
n≥1un e
∑
n≥1vn duas séries numéricas
tais que, a partir de certa ordem, se tem un, vn ≥ 0 e vn ≤ un. Então, aconvergência da série
∑
n≥1un implica a convergência da série
∑
n≥1vn,
∑
n≥1un série convergente =⇒ ∑
n≥1vn série convergente ,
e a divergência da série∑
n≥1vn implica a divergência da série
∑
n≥1un,
∑
n≥1vn série divergente =⇒ ∑
n≥1un série divergente .
20
Proposição 12 (Critério da Comparação - formulação 2) Sejam∑
n≥1un e
∑
n≥1vn duas séries numéricas tais que un ≥ 0 e vn > 0 para todo o
n. Se existe o limiteL = lim
n
unvn
e tem valor finito não-nulo (portanto L = 0 e L = +∞, ou ainda, 0 < L <+∞) então as duas séries têm a mesma natureza.
É frequente o uso de uma série de Dirichlet
∑
n≥1
1
nα
como série∑
n≥1vn. O valor conveniente para α ∈ Q é escolhido com base no
termo geral un da série∑
n≥1un de que se quer identificar a natureza. Também
as séries geométricas são usadas com frequência para comparação.
Proposição 13 (Critério da Raíz de Cauchy) Dada uma série numérica∑
n≥1un tal que un ≥ 0 para todo o n, suponha que o limite
L = limn
n√un
é finito ou +∞. Então a série é convergente se L < 1 e é divergente se L > 1ou L = 1+ (L = 1+ significa L = 1 e n
√un > 1). Quando L = 1− (que
significa L = 1 e n√un < 1) ou L = 1± (que significa L = 1 mas n
√un > 1
para alguns valores de n e n√un < 1 para outros valores de n intercalados
com os anteriores) nada se pode concluir sobre a natureza da série.
Proposição 14 (Critério da Razão de D’ Alemberg) Dada uma sérienumérica
∑
n≥1un tal que un > 0, para todo o n, suponha que o limite
L = limn
un+1un
é finito ou +∞. Então série é convergente se L < 1 e é divergente se L > 1ou L = 1+ (L = 1+ significa L = 1 e un+1/un > 1). Quando L = 1−
(que significa L = 1 e un+1/un < 1) ou L = 1± (que significa L = 1 masun+1/un > 1 para alguns valores de n e un+1/un < 1 para outros valores den intercalados com os anteriores) nada se pode concluir sobre a natureza dasérie.
21
2.3 Convergência simples e absoluta de uma sérienumérica
Definição 15 Dada uma série numérica∑
n≥1un, a série de termos não-
negativos∑
n≥1|un| diz-se a sua série modular.
Definição 16 Uma série numérica∑
n≥1un diz-se absolutamente conver-
gente quando a série modular∑
n≥1|un| é convergente.
A relação entre estes dois tipos de convergência é (dada pela seguinteproposição) é consequência do critério da comparação - formulação 1.
Proposição 17 Uma série∑
n≥1un é convergente sempre que a sua série
modular∑
n≥1|un| o for,
∑
n≥1|un| série convergente =⇒ ∑
n≥1un série convergente .
Além disso, tem-se∑
n≥1
|un| ≥
∣∣∣∣∣∣
∑
n≥1
un
∣∣∣∣∣∣. (3)
Proof. Dadas as desigualdades
0 ≤ un + |un| ≤ |un|+ |un| = 2|un|
e o facto de ser convergente a série∑
n≥1|un|, concluímos pelo critério da
comparação - formulação 1 que a série numérica∑
n≥1(un + |un|) também é
convergente. Sendo∑
n≥1
un =∑
n≥1
(un + |un|)−∑
n≥1
|un|,
a série∑
n≥1un é convergente. A desigualdade (3) resulta da desigualdade
triangular (|a+ b| ≤ |a|+ |b|, para todo a, b ∈ R)Dada a definição de série absolutamente convergente, podemos concluir
da proposição anterior que toda a série absolutamente convergente é con-vergente.
22
Definição 18 Uma série numérica∑
n≥1un diz-se simplesmente conver-
gente.quando é convergente mas não absolutamente convergente, ou seja,a série numérica
∑
n≥1un é convergente mas a sua série modular
∑
n≥1|un| é
divergente.
Dada a proposição anterior, concluímos que se uma série numérica éabsolutamente convergente então também é simplesmente convergente,
Convergência absoluta =⇒ Convergência simples .
Em consequência deste resultado (por contra-recíproco), se∑
n≥1un não é
simplesmente convergente então também não é absolutamente convergente,
Não-convergência simples =⇒ Não-convergência absoluta .
De salientar: para que uma série numérica∑
n≥1un seja absolutamente
convergente, NÃO BASTA (não é suficiente) que seja simplesmente con-vergente (é necessário que também convirja a sua série modular
∑
n≥1|un|),
Convergência simples � Convergência absoluta ,
no entanto, tal é necessário.
2.4 Critérios de convergência para séries de termosnegativos e séries alternadas
Quando uma série∑
n≥1un é de termos negativos consideramos
∑
n≥1
un = −∑
n≥1
(−un) .
A série∑
n≥1un tem a mesma natureza que a série de termos positivos
∑
n≥1(−un)
e, caso seja convergente, tem soma de valor simétrico.
Definição 19 Uma série diz-se alternada se os seus termos alternam desinal, ou seja, se o seu termo geral un é produto do factor (−1)n por umfactor an não-nulo de sinal constante,
∑
n≥1
un =∑
n≥1
[(−1)n · an] .
23
OCritério do Termo Geral e o critério apresentado na seguinte proposiçãosão os mais utilizados no estuda da natureza de séries alternadas.
Proposição 20 (Critério de Leibnitz) Se (an)n∈N é uma sucessão de-crescente de termos positivos e tem limite 0, então a série numérica alter-nada ∑
n≥1
un =∑
n≥1
[(−1)n · an]
é convergente.
Remark 21 Quando se prova que uma série numérica alternada é con-vergente não podemos concluir que ela é absolutamente convergente. Énecessário identificar a natureza da sua série modular. Se esta for conver-gente então a série alternada é absolutamente convergente. No entanto, se asérie modular for divergente então a série alternada é apenas simplesmenteconvergente. É o caso da série alternada
∑
n≥1[(−1)n/n] cuja série modular
é a série harmónica∑
n≥1(1/n). Este é o exemplo de uma série convergente
(simplesmente convergente) que não é absolutamente convergente, ou seja,
Convergência simples � Convergência absoluta .
Remark 22 Por vezes é vantajoso começar por identificar a natureza dasérie modular. Caso esta seja convergente fica provada a convergência ab-soluta da série alternada. É o caso da série
∑
n≥1
(−1)nn2
ou da série ∑
n≥1
sinn
2n.
No entanto, se a série modular for divergente apenas ficamos a saber quea série alternada não é absolutamente convergente. Ela pode ser divergentecomo é o caso da série ∑
n≥1
[n · (−1)n] ,
ou simplesmente convergente como é o caso da série
∑
n≥1
(−1)n√n
.
24
2.5 Séries de potênciasQuando o termo geral de uma série não depende apenas de n mas tam-
bém de uma variável x, a série diz-se uma série funcional (ou série defunções). Consideremos o seguinte caso de série funcional, que é particular-mente importante por constituir uma generalização da noção de polinómio.
Definição 23 Chama-se série de potências de x a toda a série da forma∑
n≥1
un(x) =∑
n≥1
(vn · xn−1
)= v1 + v2 · x+ v3 · x2 + v4 · x3 + · · · .
Para cada valor fixo de x, a série de potências∑
n≥1
(vn · xn−1
)dá lugar a
uma série numérica. Em geral, existem valores de x que conduzem a sériesnuméricas convergentes (absolutamente ou simplesmente) e valores de x queconduzem a séries numéricas divergentes. Como exemplo, consideremos asérie de potências de x
∑
n≥1
un(x) =∑
n≥1
xn−1 = 1 + x+ x2 + x3 + x4 + · · ·
em que vn = 1 para todo o n. Para x = 2 temos a série numérica∑
n≥1
un(2) =∑
n≥1
2n−1 = 1+ 2 + 4 + 8 + 16 + · · ·
que é divergente (o termo geral não tende para 0), enquanto para x = 1/2temos a série numérica
∑
n≥1
un
(1
2
)=∑
n≥1
(1
2
)n−1= 1 +
1
2+
1
4+
1
8+
1
16+ · · ·
que é absolutamente convergente (é uma série geométrica de razão 1/2 ∈]−1, 1[, tal como a sua série modular).
Definição 24 O conjunto de valores de x para os quais a série de potências∑
n≥1un(x) =
∞∑
n=1
(vn · xn−1
)é convergente diz-se o domínio de convergên-
cia pontual (ou apenas domínio de convergência) da série. Quando odomínio de convergência é um intervalo, a metade do comprimento desseintervalo diz-se o raio de convergência da série.
25
Em consequência dos critérios da raíz de Cauchy e da razão de D’ Alem-berg, é válido o seguinte resultado para determinação do domínio de con-vergência.
Proposição 25 A cada série de potências de x,∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1
(vn · xn−1
),
está associado um número real R ≥ 0 ou R = +∞ tal que se x ∈ ]−R,R[(ou seja, se |x| < R) então a série numérica correspondente é absoluta-mente convergente e se x ∈ ]−∞,−R[ ∪ ]R,+∞[ (ou seja, se |x| > R)a série numérica correspondente é divergente. O valor de R é dado peloquociente
R =1
L
em que L é o valor do limite superior
L = limn
n√|vn|.
Quando existe, o limite limn |vn+1/vn| tem o mesmo valor que limnn√|vn|.
Neste caso, também podemos obter L pelo limite
L = limn
∣∣∣∣vn+1vn
∣∣∣∣ .
Este resultado não permite concluir a natureza da série de potênciaspara x = R e x = −R (ou seja, para |x| = R). Para estes valores de x énecessário um estudo particular, ou seja, substituir na série de potências avariável x por R e por −R e estudar as séries numéricas
∑
n≥1
un(R) =∑
n≥1
(vn ·Rn−1
)e
∑
n≥1
un(−R) =∑
n≥1
[vn · (−R)n−1
].
Após o estudo destas séries numéricas, os valoresR e−R são ou não incluídosno domínio de convergência, mesmo que nestas séries a convergência sejaapenas simples.
Se R = 0 (caso em que L = +∞) então o domínio de convergência dasérie de potências é D = {0}. Se R = +∞ (caso em que L = 0+) então odomínio de convergência da série de potências é D = R.
Quando R é um número real (portanto, quando R é finito) então Rcorresponde ao raio de convergência da série de potências. Dado o exposto,
o raio de convergência da série de potências∞∑
n=1
(vn · xn−1
)corresponde ao
limiteR =
1
limnn√|vn|
26
e, caso exista, ao limite
R =1
limn
∣∣∣∣vn+1vn
∣∣∣∣
=1
limn|vn+1||vn|
= limn
|vn||vn+1|
= limn
∣∣∣∣vn
vn+1
∣∣∣∣ .
Consideremos agora o caso mais geral de séries de potências de x− a.
Definição 26 Chama-se série de potências de x − a a toda a série daforma ∑
n≥1
un(x− a) =∑
n≥1
[vn · (x− a)n−1
].
Proposição 27 A série de potências∑
n≥1
[vn · (x− a)n−1
]é convergente
para os valores de x que verifiquem x ∈ ]a−R, a+R[ (ou seja, |x− a| < R)e divergente para x ∈ ]−∞, a−R[ ∪ ]a+R,+∞[ (ou seja, |x− a| > R) emque R é dado por
R =1
Lcom
L = limn
∣∣∣∣vn+1vn
∣∣∣∣ ou L = limn
n√|vn|.
Se |x− a| > R então a série de potências é divergente.
Para x = a−R e x = a+R (ou seja, |x− a| = R) é necessário um estudoparticular.
O desenvolvimento de Taylor é uma série de potências de x − a e odesenvolvimento de MacLaurin é uma série de potências de x.
2.6 Exercícios propostos
1. Justifique que a série numérica∑
n≥1
1√né divergente.
2. Mostre que a série numérica∑
n≥1
3
2né convergente e tem soma S = 3.
3. Estude a natureza da série numérica∑
n≥13−n. Caso seja convergente,
determine a sua soma.
27
4. Proceda como no exercício anterior relativamente às séries numéricas∑
n≥1
[5 (−3)−n
],∑
n≥1[3 (−1)n] e ∑
n≥13.
5. Mostre que são divergentes as séries numéricas∑
n≥1
2n,∑
n≥1
(−2)n ,∑
n≥1
(−1)n ,
e∑
n≥1
(−1
3
),∑
n≥1
(n+ 2
n+ 5
)2n,∑
n≥1
n+ 1
n.
6. Mostre que a série numérica∑
n≥1
(3
2n+
1
4n2
)é convergente.
7. Por comparação, mostre que as séries numéricas∑
n≥1vn de termo geral
vn =n
n3 + 1, vn =
1
n (n+ 1), vn =
3n− 1
n3e vn =
1
2n + n
são convergentes enquanto que as séries numéricas∑
n≥1vn de termo
geral
vn =1
n− 1(para n ≥ 2) e vn =
1√n cos2 n
são divergentes.
8. Usando um critério da comparação, mostre que as séries numéricas∑
n≥1un de termo geral
un =2
n, un =
n− 3
n2e un = sin
1
n
são divergentes enquanto que são convergentes as séries numéricas∑
n≥1un de termo geral
un =n
(n2 + 1) (n+ 5), un = n sin
1
n3 + 1e un =
n
n2 + 1ln
n+ 2
n+ 5.
9. Mostre que a série∑
n≥1
[(−1)n + (−1)n+1
]é convergente e tem soma
S = 0.
28
10. Mostre que a série alternada∑
n≥1
(−1)nn
é simplesmente convergente.
11. Mostre que a série alternada∑
n≥1
(−1)nn2
é absolutamente convergente.
12. Mostre que a série alternada∑
n≥1[n(−1)n] é divergente.
13. Mostre que a série alternada∑
n≥1
(−1)n+2√n
é simplesmente convergente.
14. Mostre que a série alternada∑
n≥1
[(−1)n+1 3
n!
]é absolutamente con-
vergente.
15. Mostre que são absolutamente convergentes as séries numéricas∑
n≥1un
de termo geral
un =n (−1)n
(n2 + 1) (n+ 5), un = (−1)n+1 n sin
1
n3 + 1
e
un =n (−1)n+1n2 + 1
lnn+ 2
n+ 5.
16. Mostre que a série alternada∑
n≥1
[(−1)n+1 n
n+ 1
]é simplesmente con-
vergente.
17. Considere a série de potências
´∑
n≥1
xn−1 = 1+ x+ x2 + x3 + x4 + · · · .
(a) Mostre que o domínio de convergência da série de potências é ointervalo ]−1, 1[.
(b) Dado que, para cada x ∈ ]−1, 1[, a série de potências de x dálugar a uma série geométrica, mostre que
∑
n≥1
xn−1 =1
1− x
29
18. Mostre que série de potências de x
∑
n≥1
un(x) =∑
n≥1
xn
[3 + (−1)n]2n,
tem o intervalo ]−4, 4[ como domínio de convergência.
19. Determine o domínio de convergência das seguintes séries de potênciasde x :
(a)∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1
xn
n!
(b)∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1(n!xn)
(c)∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1
(−1)nxnn · 2n
(d)∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1
x2n−1
2n− 1
(e)∑
n≥1un(x) =
∑
n≥1
xn√nn
20. Determine o domínio de convergência das seguintes séries de potênciasde x− 2 :
(a)∑
n≥1un(x− 2) =
∑
n≥1
[n(x− 2)n−1
]
(b)∑
n≥1un(x− 2) =
∑
n≥1
[(−1)n (x− 2)2n+1
(2n+ 1)!
].
21. Mostre queD = [0, 2] é o domínio de convergência da série de potênciasde x− 1
∑
n≥1
un(x− 1) =∑
n≥1
(x− 1)n
n2.
22. Mostre que, para todo o x ∈ R, são válidos os desenvolvimentos deMacLaurin:
30
(a) expx =∑
n≥1
(1
(n− 1)!xn−1
)
(b) sinx =∑
n≥1
(−1)n−1(2n− 1)!
x2n−1
(c) cosx =∑
n≥1
[(−1)n−1(2n− 2)!
x2n−2
]
.
23. Determine os valores de x ∈ R para os quais os seguintes desenvolvi-mentos em série de potências convergem para as respectivas funções:
(a) 1 + x2 +1
2x4 +
1
6x6 + · · ·+ x2n
n!+ · · · = exp(x2)
(b)1
2− 1
4(x− 2) +
1
8(x− 2)2 − · · ·+ (−1)n−1 (x− 2)n−1
2n+ · · · = 1
x
2.7 Soluções
3. É convergente. Tem soma 1/2.
4. A série numérica∑
n≥1
[5 · (−3)−n
]é convergente e tem soma 5/4. As
séries numéricas∑
n≥1[3 (−1)n] e ∑
n≥13 são divergentes.
19. (a) Dconv = R.
19. (b) Dconv = {0}.
19. (c) Dconv = [−2, 2[ mas a convergência é simples em x = 2.
19. (d) Dconv = ]−1, 1[.
19. (e) Dconv = R.
20. (a) Dconv = ]1, 3[ .
20. (b) Dconv = R.
23. (a) Para todo o x ∈ R.
23. (b) Para x ∈ ]0, 4[ .
31