Serie numeriche
Annalisa Cesaroni, Paola Mannucci e Alvise Sommariva
Universit`
a degli Studi di Padova
Dipartimento di Matematica
Sommatorie
Notazione.
Dati n
0
, n
1
∈ Z, con n
0
≤ n
1
e a
n
0, . . . , a
n
1∈ R si pone
n
1X
k=n
0a
k
= a
n
0+ . . . + a
n
1.
Il simbolo
P si chiama
sommatoria.
Nota.
Se
n
0
= n
1
allora
P
n
k=n
1 0a
k
= a
n
0+ . . . + a
n
1= a
n
0.
Sommatorie: cambiamenti di indice
Nota.
Utilizzeremo spesso
cambiamenti di indice. Nell’esempio
−8
X
k=−10
1
k + 1
= −
1
9
−
1
8
−
1
7
posto
k = j − 10
abbiamo ad esempio che se k varia tra −10 e −8
allora da j = k + 10, necessariamente j varia tra 0 e 2. Quindi
Serie numeriche: definizioni
Definizione (Serie numerica)
Una
serie numerica
`
e la somma formale degli elementi di una successione
numerica {a
n}
n∈N. Di solito, per indicare una serie si usano le notazioni
a
0+ a
1+ . . . + a
n+ . . .
oppure
+∞X
k=0a
k.
Gli elementi a
ksi chiamano
termini della serie
, mentre i numeri
s
n=
nX
k=0
a
k= a
0+ a
1+ . . . + a
nSerie numeriche (semplicemente) convergenti
Definizione (Convergenza, divergenza, indeterminazione)
Sia {a
n}
n∈Nuna successione a valori in R. Si dice che la serie
P
+∞k=0a
k`
e
(semplicemente) convergente
se `
e convergente la successione {s
n}
n∈Ndelle
somme parziali
s
n, ove s
n=
P
nk=0a
k.
In tal caso, il limite
s =
lim
n→+∞s
n=
n→+∞lim
nX
k=0a
ksi dice
somma della serie
.
Si dice che la serie
converge
se s ∈ R;
diverge
se s = ±∞;
`
Nota importante
Nota.
Abbiamo detto che la serie
P
+∞
k=0
a
k
`
e
(semplicemente)
convergente
se `
e convergente la successione {s
n
}
n∈N
delle
somme
parziali
s
n
, ove s
n
=
P
n
k=0
a
k
e il limite
s =
lim
n→+∞
s
n
=
n→+∞
lim
n
X
k=0
a
k
si dice
somma della serie.
Classico errore.
Sommatorie: progressione geometrica
(Progressione Geometrica)
Si ricorda che fissato r ∈ R
1 − r
n+1
= (1 − r )(1 + r + . . . + r
n
).
(1)
Casi notevoli sono
n = 1: 1 − r
2
= (1 − r )(1 + r );
n = 2: 1 − r
4
= (1 − r )(1 + r + r
2
).
Di conseguenza, dividendo ambo i membri di (1) per 1 − r , si ricava
n
X
k=0
r
k
= 1 + r + . . . + r
n
=
1 − r
n+1
1 − r
.
Sommatorie: progressione geometrica
Nota.
Se s
n
=
P
n
k=0
r
k
= 1 + r + . . . + r
n
`
e la somma parziale n-sima,
abbiamo
s
n
=
1 − r
n+1
1 − r
.
Poich`
e
s =
lim
n→+∞
s
n
=
n→+∞
lim
1 − r
n+1
1 − r
se |r | < 1 allora lim
n→+∞
r
n+1
= 0 e quindi s =
1−r
1
;
se r ∈ [1, +∞) allora lim
n→+∞
r
n+1
= +∞ e quindi s = +∞,
cio`
e la serie `
e divergente;
se r ∈ (−∞, −1] allora lim
n→+∞
r
n+1
non esiste e quindi la
Serie numeriche convergenti e infinitesime
Teorema
Sia {a
n
}
n∈N
una successione a valori in R. Se
Serie numeriche convergenti e infinitesime
Dimostrazione.
Se la serie `
e convergente allora per un certo S ∈ R abbiamo
lim
n
s
n
= S e ovviamente lim
n
s
n−1
= S da cui
lim
n
(s
n
− s
n−1
) = lim
n
s
n
− lim
n
s
n−1
= S − S = 0.
(2)
Osserviamo ora che se s
n
=
P
n
k=0
a
k
, allora
s
n
− s
n−1
=
n
X
k=0
a
k
−
n−1
X
k=0
a
k
=
a
n
+
n−1
X
k=0
a
k
!
−
n−1
X
k=0
a
k
= a
n
.
Serie numeriche convergenti e infinitesime: errore classico
Classico errore.
Il teorema dice
Sia {a
n
}
n∈N
una successione a valori in R. Allora
+∞
X
k=0
a
k
`
e convergente
allora
lim
k
a
k
= 0
cio`
e {a
n
}
n∈N
infinitesima.
Il teorema non dice che
se la successione {a
n
} `
e infinitesima allora
la serie
P
+∞
Serie numeriche convergenti e infinitesime
Nota.
Osserviamo che esistono serie non convergenti, ma tali che
{a
n
}
n∈N
`
e infinitesima.
Esempio
La serie armonica
+∞
X
k=1
1
k
Serie numeriche convergenti e infinitesime
Esempio
La serie
P
+∞
k=1
√
1
k
pur essendo infinitesima `
e
divergente
. Infatti si
verifica facilmente che
Serie numeriche: propriet`
a
Teorema
Le serie
P
+∞
k=0
a
k
e
P
+∞
k=
k
0a
k
hanno lo stesso comportamento.
Definizione (Resto della serie)
La quantit`
a
r
n
=
+∞
X
k=n+1
a
k
si chiama
resto
n−simo della serie
P
+∞
Serie numeriche: propriet`
a
Nota.
Evidentemente, se
s
n
=
P
n
k=0
a
k
,
r
n
=
P
∞
k=n+1
a
k
allora
+∞
X
k=0
a
k
=
n
X
k=0
a
k
+
∞
X
k=n+1
a
k
= s
n
+ r
n
.
Serie numeriche: propriet`
a
Teorema
Se
P
+∞
k=0
a
k
`
e convergente allora il resto n-simo `
e infinitesimo cio`
e
+∞
X
k=n
0a
k
→ 0
per n
0
→ ∞
.
Teorema
Se
P
+∞
k=0
a
k
,
P
+∞
k=0
b
k
sono convergenti allora lo `
e pure
+∞
X
k=n
0(λa
k
+ µb
k
)
Serie numeriche: serie di Mengoli
Esempio (Serie di Mengoli (1650))
La serie (di Mengoli)
+∞
X
k=2
1
k(k − 1)
`
e
convergente
e la sua somma vale S = 1.
Serie numeriche: serie di Mengoli
N : 1 e+02 SOMMA : 0 . 9 9 0 0 9 9 0 0 9 9 0 0 9 8 9 7 5 7 1 4 9 1 4 7 8 6 2 9 4 7 N : 1 e+03 SOMMA : 0 . 9 9 9 0 0 0 9 9 9 0 0 0 9 9 9 7 0 0 9 6 0 7 9 0 0 5 0 8 8 5 N : 1 e+04 SOMMA : 0 . 9 9 9 9 0 0 0 0 9 9 9 9 0 0 0 7 4 9 5 1 6 5 4 0 0 5 4 1 7 4 N : 1 e+05 SOMMA : 0 . 9 9 9 9 9 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 1 5 5 2 1 5 2 6 7 7 3 9 5 5 0 N : 1 e+06 SOMMA : 0 . 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 1 0 4 7 5 7 7 6 9 0 3 7 1 7 8 1 5 0 0 N : 1 e+07 SOMMA : 0 . 9 9 9 9 9 9 8 9 9 9 9 9 8 1 5 3 1 1 5 2 4 2 8 7 1 5 3 5 8 8 N : 1 e+08 SOMMA : 0 . 9 9 9 9 9 9 9 8 9 8 2 7 4 7 3 4 0 1 1 4 9 4 0 4 7 0 8 1 2 1La serie di Mengoli pu`
o banalmente essere riscritta come
+∞
X
k=1
1
k(k + 1)
.
Nella tabella si valutano s
100
, s
1000
, . . ., s
100000000
e si vede
Serie numeriche: serie geometrica
Esempio (Serie geometrica)
La serie (geometrica) di ragione geometrica
+∞
X
k=0
r
k
`
e
convergente per r ∈ (−1, 1)
e la somma vale 1/(1 − r );
divergente per r ∈ [1, +∞);
Serie numeriche a termini positivi
Definizione (Serie a termini positivi)
Una serie
P
+∞
k=0
a
k
si dice
a termini positivi
se a
k
≥ 0 per ogni
k ∈ N.
Definizione (Serie a termini definitivamente positivi)
Una serie
P
+∞
k=0
a
k
si dice
a termini definitivamente positivi
se
esiste n
0
∈ N tale che a
k
≥ 0 per ogni k ∈ N, k ≥ n
0
.
Esempio
La serie
P
+∞
k=0
k−5
Serie numeriche a termini positivi
Teorema
Sia
P
+∞
k=0
a
k
a termini definitivamente positivi. Allora
o converge
o diverge a +∞
.
Dimostrazione.
Se la serie
P
∞
k=0
a
k
`
e a termini positivi, allora la successione {s
n
}
di somme parziali s
n
=
P
n
k=0
a
k
`
e crescente.
Serie numeriche a termini positivi: serie armonica
Definizione (Serie armonica)
La serie
+∞
X
k=1
1
k
si chiama
serie armonica
.
Serie numeriche a termini positivi: serie armonica
Dimostrazione.
Osserviamo che essendo una serie a termini positivi,
P
∞
k=2n
0+1
1
Serie numeriche a termini positivi: criterio del confronto
% SULLA SERIE ARMONICA sum ( 1 / n )
N : 1 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 6 6 9 5 3 1 1 3 6 5 8 5 8 5 1 e+01 N : 2 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 7 3 8 8 4 5 8 5 2 1 4 1 7 1 8 e+01 N : 3 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 7 7 9 3 9 2 3 6 2 1 1 9 3 8 3 e+01 N : 4 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 0 8 1 6 0 5 6 8 9 4 7 6 9 7 e+01 N : 5 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 3 0 4 7 4 9 2 3 8 2 8 9 9 9 e+01 N : 6 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 4 8 7 0 7 0 7 9 3 4 1 6 2 2 e+01 N : 7 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 6 4 1 2 2 1 4 7 2 0 5 5 9 0 e+01 N : 8 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 7 7 4 7 5 2 8 6 3 7 8 7 8 2 e+01 N : 9 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 8 8 9 2 5 3 5 8 9 8 7 5 1 5 6 e+01 N : 1 . 0 e+08 SOMMA : 1 . 8 9 9 7 8 9 6 4 1 3 8 5 3 0 1 e+01
In tabella il valore della somma N-sima della serie armonica
s
N
=
P
N
k=1
1
Serie numeriche a termini positivi: criterio del confronto
Teorema
Siano {a
n
}
n∈N
, {b
n
}
n∈N
due successioni (reali) tali che
0 ≤ a
k
≤ b
k
, k ∈ N.
Allora
Se
P
+∞
k=0
b
k
converge
allora
P
+∞
k=0
a
k
converge
.
Se
P
+∞
k=0
a
k
diverge
allora
P
+∞
k=0
b
k
diverge
.
Nota.
Se
P
+∞
k=0
a
k
converge
allora non si pu`
o dire che
P
+∞
k=0
b
k
converge
.
Se
P
+∞
k=0
b
k
diverge
allora non si pu`
o dire che
P
+∞
k=0
a
k
diverge
.
Pensare alle serie
P
+∞
k=1
(1/k
2
) e
P
+∞
Serie numeriche a termini positivi: criterio del confronto
Esempio
La serie
P
+∞
k=1
b
kk
diverge per b > 1.
Traccia.
Serie numeriche a termini positivi: serie armonica
generalizzata
Definizione (Serie armonica generalizzata)
La serie
+∞
X
k=1
1
k
α
, α ∈ R
`
e detta
serie armonica generalizzata.
Teorema
La serie armonica generalizzata ha il seguente comportamento
diverge
per
α ∈ (−∞, 1]
;
Serie numeriche a termini positivi: serie armonica
% SULLA SERIE ARMONICA GENERALIZZATA sum ( 1 / n ˆ ( 0 . 9 ) )
N : 1 e+02 SOMMA : 6 . 4 2 6 7 3 0 4 8 4 5 8 1 3 9 9 0 6 1 0 2 8 1 5 0 7 5 4 2 8 2 N : 1 e+03 SOMMA : 1 0 . 5 2 3 5 0 6 6 1 1 7 9 9 3 7 6 7 4 2 0 5 5 7 5 6 0 3 9 9 1 7 N : 1 e+04 SOMMA : 1 5 . 6 8 8 8 7 5 8 8 8 1 3 1 1 6 6 2 9 1 8 2 7 8 6 7 0 9 8 6 1 8 N : 1 e+05 SOMMA : 2 2 . 1 9 2 6 7 8 3 9 3 6 4 6 2 5 4 1 6 4 6 5 0 5 9 9 7 0 5 0 5 5 N : 1 e+06 SOMMA : 3 0 . 3 8 0 6 0 5 0 2 6 4 8 3 5 5 0 5 4 5 8 9 0 4 6 6 3 1 0 0 8 4 N : 1 e+07 SOMMA : 4 0 . 6 8 8 6 0 9 5 9 3 9 1 7 6 4 7 0 8 9 2 5 6 2 0 6 5 2 7 3 5 2 N : 1 e+08 SOMMA : 5 3 . 6 6 5 6 2 0 4 6 0 1 7 7 7 7 7 3 1 7 7 6 7 3 2 2 5 2 9 1 0 7
Nella tabella valutiamo la somma
P
N
k=1
k
1
0.9, per
Serie numeriche a termini positivi: criterio del confronto
% SULLA SERIE ARMONICA GENERALIZZATA sum ( 1 / n ˆ ( 1 . 1 ) )
N : 1 e+02 SOMMA : 4 . 2 7 8 0 2 4 0 2 3 1 5 8 3 6 9 7 1 5 2 4 7 3 1 7 7 9 9 3 6 7 N : 1 e+03 SOMMA : 5 . 5 7 2 8 2 6 6 7 6 3 5 2 7 5 1 6 4 0 3 0 8 7 2 4 7 4 5 4 1 0 N : 1 e+04 SOMMA : 6 . 6 0 3 3 9 6 6 6 4 4 0 9 4 3 8 6 2 1 1 3 4 9 9 5 6 2 8 3 8 1 N : 1 e+05 SOMMA : 7 . 4 2 2 1 7 2 3 8 5 9 1 8 4 8 4 4 9 4 0 2 7 3 2 5 1 2 6 8 0 8 N : 1 e+06 SOMMA : 8 . 0 7 2 5 6 2 1 5 9 0 3 5 5 3 8 0 8 7 4 3 7 0 8 9 4 1 6 1 9 8 N : 1 e+07 SOMMA : 8 . 5 8 9 1 8 6 1 5 9 9 5 9 3 0 0 6 8 1 5 2 1 1 9 9 2 9 4 3 6 6 N : 1 e+08 SOMMA : 8 . 9 9 9 5 5 5 2 7 3 2 8 4 2 7 0 7 3 9 9 6 4 0 8 5 8 0 5 6 9 6
In tabella il valore della somma N-sima della serie armonica
generalizzata
s
N
=
N
X
k=1
1
k
1.1
Serie numeriche a termini positivi: serie armonica
generalizzata
% SULLA SERIE ARMONICA sum ( 1 / n ˆ 2 )
N : 1 . 0 e+02 SOMMA : 1 . 6 3 4 9 8 3 9 0 0 1 8 4 8 9 2 e+00 N : 1 . 0 e+03 SOMMA : 1 . 6 4 3 9 3 4 5 6 6 6 8 1 5 6 1 e+00 N : 1 . 0 e+04 SOMMA : 1 . 6 4 4 8 3 4 0 7 1 8 4 8 0 6 5 e+00 N : 1 . 0 e+05 SOMMA : 1 . 6 4 4 9 2 4 0 6 6 8 9 8 2 4 3 e+00 N : 1 . 0 e+06 SOMMA : 1 . 6 4 4 9 3 3 0 6 6 8 4 8 7 5 4 e+00 N : 1 . 0 e+07 SOMMA : 1 . 6 4 4 9 3 3 9 6 6 8 4 8 1 7 5 e+00 N : 1 . 0 e+08 SOMMA : 1 . 6 4 4 9 3 4 0 5 6 7 9 8 8 6 4 e+00
Nella tabella valutiamo la somma
P
N
k=1
k
1
2, per
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico
Teorema (Confronto asintotico)
Siano {a
k
}
k∈N
, {b
k
}
k∈N
due successioni
definitivamente positive
.
Se a
n
∼ b
n
, cio`
e
lim
n
a
n
b
n
= 1
allora le serie
P
+∞
k=0
a
k
,
P
+∞
k=0
b
k
hanno
lo stesso comportamento
.
Nota.
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 1
Quindi, per il criterio di confronto asintotico, la serie ha lo stesso
comportamento di
+∞X
k=1k
4.53k
6=
1
3
+∞X
k=11
k
1.5che converge in quanto la serie
P
+∞ k=11
k1.5
`
e una serie armonica generalizzata
P
+∞k=1 1
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 1
N : 1 . 0 e+02 SOMMA : 2 . 1 0 4 7 9 6 1 1 7 4 4 9 3 7 1 e+00 N : 1 . 0 e+03 SOMMA : 2 . 1 5 0 4 3 3 4 9 2 6 7 1 7 1 6 e+00 N : 1 . 0 e+04 SOMMA : 2 . 1 6 4 8 5 0 3 7 4 4 0 0 0 4 0 e+00 N : 1 . 0 e+05 SOMMA : 2 . 1 6 9 4 0 8 9 0 9 7 4 6 1 8 8 e+00 N : 1 . 0 e+06 SOMMA : 2 . 1 7 0 8 5 0 4 2 9 8 8 7 5 2 2 e+00 N : 1 . 0 e+07 SOMMA : 2 . 1 7 1 3 0 6 2 7 8 0 9 7 1 6 2 e+00 N : 1 . 0 e+08 SOMMA : 2 . 1 7 1 4 5 0 4 2 9 9 4 2 5 5 9 e+00
Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=1
k
3.5+k
4.53k
6−2 sin (k)
, per
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 2
La serie converge come
P
+∞
k=1
3k
1
1.5ma per valori piccoli le
successioni sono leggermente diverse.
N : 4 . 0 e+00 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 0 e−02 N : 3 . 6 e+01 a b s( a_n−b_n ) : 4 . 3 e−05 N : 4 . 1 e+02 a b s( a_n−b_n ) : 9 . 9 e−08 N : 4 . 6 e+03 a b s( a_n−b_n ) : 2 . 3 e−10 N : 5 . 3 e+04 a b s( a_n−b_n ) : 5 . 2 e−13 N : 6 . 0 e+05 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 2 e−15 N : 6 . 8 e+06 a b s( a_n−b_n ) : 2 . 8 e−18 N : 7 . 7 e+07 a b s( a_n−b_n ) : 6 . 3 e−21 N : 8 . 8 e+08 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 5 e−23 N : 1 . 0 e+10 a b s( a_n−b_n ) : 3 . 3 e−26
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 2
Esempio
La serie
P
+∞
k=1
log(k+1)−log(k)
√
4k
2+3
converge.
Traccia.
Distinguiamo il numeratore dal denominatore.
A numeratore, osserviamo che
log(k + 1) − log (k) = log((k + 1)/k) = log(1 + (1/k)). Posto
t = 1/k se k → +∞ allora t → 0
+
. Dalla tabella degli
infinitesimi log(1 + t) ∼ t e quindi
log(1 + (1/k)) ∼ (1/k)
.
A denominatore osserviamo che
p
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 2
Di conseguenza
log(k + 1) − log(k)
√
4k
2
+ 3
∼
(1/k)
2k
=
1
2k
2
.
Che sia una serie a termini positivi, lo si vede direttamente, in
quanto il logaritmo `
e crescente e pure la radice quadrata, come
affidandosi all’asintotico
2k
1
2che `
e ovviamente positivo.
Quindi la serie richiesta converge in quanto lo `
e la serie
+∞
X
k=1
1
2k
2
=
1
2
+∞
X
k=1
1
k
2
dove
1
2
P
+∞
k=1
1
k
2`
e una serie armonica generalizzata
P
+∞
k=1
1
k
αcon
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 2
N : 1 . 0 e+02 SOMMA : 5 . 2 7 8 5 2 7 1 5 2 9 3 2 7 7 3 e−01 N : 1 . 0 e+03 SOMMA : 5 . 3 2 3 1 5 7 9 0 8 8 3 8 6 1 3 e−01 N : 1 . 0 e+04 SOMMA : 5 . 3 2 7 6 5 4 1 9 8 3 4 9 8 7 4 e−01 N : 1 . 0 e+05 SOMMA : 5 . 3 2 8 1 0 4 1 6 1 2 2 6 7 2 2 e−01 N : 1 . 0 e+06 SOMMA : 5 . 3 2 8 1 4 9 1 6 0 8 5 5 5 6 2 e−01 N : 1 . 0 e+07 SOMMA : 5 . 3 2 8 1 5 3 6 6 0 8 5 1 3 7 7 e−01 N : 1 . 0 e+08 SOMMA : 5 . 3 2 8 1 5 4 1 1 0 6 0 4 8 0 7 e−01
Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=1
log(k+1)−log(k)
√
4k
2+3
, per
Serie numeriche a termini positivi: confronto asintotico.
Esempio 2
La serie converge come
P
+∞
k=1
2k
1
2ma per valori piccoli le
successioni sono leggermente diverse.
N : 4 . 0 e+00 a b s( a_n−b_n ) : 4 . 0 e−03 N : 3 . 6 e+01 a b s( a_n−b_n ) : 5 . 4 e−06 N : 4 . 1 e+02 a b s( a_n−b_n ) : 3 . 7 e−09 N : 4 . 6 e+03 a b s( a_n−b_n ) : 2 . 5 e−12 N : 5 . 3 e+04 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 7 e−15 N : 6 . 0 e+05 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 2 e−18 N : 6 . 8 e+06 a b s( a_n−b_n ) : 8 . 1 e−22 N : 7 . 7 e+07 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 9 e−24 N : 8 . 8 e+08 a b s( a_n−b_n ) : 1 . 7 e−25 N : 1 . 0 e+10 a b s( a_n−b_n ) : 8 . 8 e−26
Facoltativo. Serie numeriche a termini positivi: criterio di
condensazione.
Teorema (Criterio di condensazione)
Sia {a
k
}
k∈N
una successione
definitivamente positiva
;
definitivamente decrescente
.
Allora le serie
P
+∞
k=0
a
k
,
P
+∞
k=0
a
2
k2
k
hanno
lo stesso comportamento
.
Esempio
Consideriamo la serie positiva e decrescente
+∞
X
k=2
1
k log
β(k)
con β > 0. Per il criterio di condensazione, ha lo stesso comportamento di
+∞
X
k=22
k2
klog
β(2
k)
=
+∞X
k=21
(log(2
k))
β=
+∞X
k=21
k
β(log(2))
βSerie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto
Teorema (Criterio del rapporto (Cauchy, 1821))
Sia {a
k
}
k∈N
una successione
definitivamente strettamente positiva
cio`
e a
k
> 0 definitivamente.
Se esiste r ∈ (0, 1) tale che
a
k+1
a
k
≤ r
definitivamente, allora la serie
P
+∞
k=0
a
k
converge
.
Se
a
k+1
a
k
≥ 1
definitivamente, allora la serie
P
+∞
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto
Corollario (Criterio del rapporto)
Sia {a
k
}
k∈N
una successione
definitivamente strettamente positiva
cio`
e
a
k
> 0 definitivamente.
Se esiste r ∈ [0, 1) tale che
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto
Nota.
Si osservi che il fatto che se
lim
k
a
k+1
a
k
=
1
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto,
esempio 1.
Esempio
La serie
+∞
X
k=0
1
k!
converge.
Esempio
La successione {a
k
}
k∈N
con a
k
=
k!
1
verifica le ipotesi del teorema
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto,
esempio 1.
N : 2 SOMMA : 1 . 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N : 4 SOMMA : 1 . 7 0 8 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 8 1 3 6 3 0 6 9 9 5 0 0 2 1 N : 6 SOMMA : 1 . 7 1 8 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 9 0 4 5 0 2 0 2 9 5 0 1 6 N : 8 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 7 8 7 6 9 8 4 1 2 7 0 0 3 7 2 3 3 0 1 6 4 1 0 0 2 8 N : 10 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 0 1 1 4 6 3 8 4 7 3 5 1 9 0 5 0 8 7 6 3 4 8 0 N : 12 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 2 8 6 1 6 8 7 1 0 9 1 7 5 3 6 3 7 3 0 1 7 N : 14 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 8 2 2 9 9 6 5 0 5 0 9 1 8 5 0 8 4 9 6 N : 16 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 2 4 2 6 2 6 0 3 3 9 1 9 8 0 5 2 N : 18 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 20 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 22 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 24 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 26 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 28 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0 N : 30 SOMMA : 1 . 7 1 8 2 8 1 8 2 8 4 5 9 0 4 5 5 3 4 8 8 4 8 0 8 1 4 8 4 9 0Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto,
esempio 2.
Esempio
La serie
+∞
X
k=0
e
k
k!
converge.
Traccia.
La successione {a
k
}
k∈N
con a
k
=
e
kk!
verifica le ipotesi del teorema
del rapporto ed `
e
a
k+1
a
k
=
e
k+1
k + 1!
·
k!
e
k
=
e
k + 1
Serie numeriche a termini positivi: criterio del rapporto,
esempio 2.
N : 2 SOMMA : 6 . 4 1 2 8 0 9 8 7 7 9 2 4 3 7 0 7 3 8 3 5 5 7 1 9 3 6 7 9 7 4 N : 4 SOMMA : 1 2 . 0 3 5 3 2 2 2 8 3 1 6 9 9 9 3 0 8 5 0 3 9 0 9 5 6 0 3 8 6 1 N : 6 SOMMA : 1 3 . 8 3 2 4 1 6 3 7 7 7 6 4 7 0 8 6 7 0 3 8 3 6 9 7 6 0 8 4 8 6 N : 8 SOMMA : 1 4 . 1 2 3 9 3 4 8 1 1 6 5 5 3 1 9 1 6 5 8 7 9 5 1 8 5 5 0 3 5 5 N : 10 SOMMA : 1 4 . 1 5 2 3 3 4 6 4 2 1 9 7 2 4 9 7 9 2 1 6 1 5 2 8 6 0 3 1 7 4 N : 12 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 1 7 4 3 9 4 9 0 7 8 9 0 6 4 3 9 3 5 3 8 8 6 5 2 6 0 8 N : 14 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 5 9 2 3 7 0 3 6 2 5 1 6 6 1 8 3 4 2 8 5 1 8 7 0 6 9 N : 16 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 1 6 1 6 1 6 9 9 8 1 2 8 0 1 0 8 9 1 3 7 7 9 2 6 N : 18 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 3 9 7 8 3 1 8 2 7 6 4 0 8 5 7 2 2 7 3 7 9 4 6 N : 20 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 4 9 8 4 0 6 8 6 8 6 8 8 1 0 7 3 5 1 7 7 N : 22 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 7 8 8 4 1 4 8 8 6 2 8 8 5 9 2 2 4 2 6 4 N : 24 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 7 9 2 6 0 7 0 8 8 4 2 9 5 7 6 8 3 3 7 3 N : 26 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 7 9 2 6 6 0 3 7 9 1 3 4 7 5 8 8 4 1 2 5 N : 28 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 7 9 2 6 6 0 3 7 9 1 3 4 7 5 8 8 4 1 2 5 N : 30 SOMMA : 1 4 . 1 5 4 2 6 2 2 4 1 4 7 9 2 6 6 0 3 7 9 1 3 4 7 5 8 8 4 1 2 5Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=0
e
k
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice.
Teorema (Criterio della radice (Cauchy, 1821))
Sia {a
k
}
k∈N
una successione
definitivamente positiva
cio`
e a
k
≥ 0
definitivamente.
Se esiste r ∈ (0, 1) tale che
k√
a
k
≤ r
definitivamente, allora la serie
P
+∞
k=0
a
k
converge
.
Se
k
√
a
k
≥ 1
definitivamente, allora la serie
P
+∞
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice.
Corollario (Criterio della radice)
Sia {a
k
}
k∈N
una successione
definitivamente positiva
cio`
e a
k
≥ 0
definitivamente.
Se esiste r ∈ [0, 1) tale che
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice.
Nota.
Si osservi che il fatto che se lim
k
k√
a
k
=
1
allora il criterio del
rapporto
non
stabilisce la convergenza o la divergenza. Inoltre
converge se lim
k
k√
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice,
esempio 1.
Esempio
Si mostri che la serie
+∞
X
k=13k · sin
1
4k
kconverge.
Traccia.
Poich`
e per ogni k ≥ 1, si ha che
1 4k≤
1 4, allora
0 = sin(0) ≤ sin
1
4k
≤ sin
1
4
e quindi la serie in questione `
e a termini positivi. Inoltre converge per il
corollario al criterio della radice in quanto
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice,
esempio 1.
N : 10 S O M M A : 2 . 8 1 6 7 8 5 1 8 1 6 7 3 0 2 6 7 1 6 7 0 8 8 1 8 6 3 9 7 4 5 N : 20 S O M M A : 2 . 9 7 6 0 8 4 7 1 0 9 3 8 3 6 3 4 6 4 5 4 9 6 3 8 5 9 2 8 7 1 N : 30 S O M M A : 2 . 9 8 5 0 5 8 5 6 6 9 5 6 5 4 3 0 3 5 7 8 6 3 5 3 3 5 7 2 5 3 N : 40 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 6 3 9 8 5 0 7 6 9 1 4 2 2 8 5 0 0 2 9 9 9 4 1 5 1 6 N : 50 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 9 2 4 4 9 0 1 5 6 7 5 7 7 5 5 6 9 8 8 9 0 8 3 2 7 2 N : 60 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 9 4 0 5 1 9 9 2 6 5 4 4 8 5 1 6 1 4 3 8 0 6 0 4 5 9 N : 70 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 2 2 6 4 7 1 3 2 0 2 1 9 5 0 2 5 5 8 7 5 7 1 N : 80 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 3 4 8 3 6 4 0 3 5 8 2 1 0 7 7 7 7 7 6 5 5 N : 90 S O M M A : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 3 4 6 4 7 0 3 3 1 2 9 3 4 0 3 4 3 2 9 4 N : 100 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 0 7 6 8 8 0 3 7 1 4 5 2 7 1 6 6 4 4 9 N : 110 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 1 6 7 6 5 2 2 0 5 9 4 6 0 6 9 4 4 3 6 N : 120 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 1 7 2 7 1 4 8 2 2 9 3 8 3 6 0 1 5 7 4 N : 130 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 1 7 2 9 8 1 2 7 6 4 6 4 2 7 0 1 9 5 0 N : 140 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 1 7 2 9 8 1 2 7 6 4 6 4 2 7 0 1 9 5 0 N : 150 SOMMA : 2 . 9 8 5 5 9 4 1 4 7 6 5 1 7 2 9 8 1 2 7 6 4 6 4 2 7 0 1 9 5 0Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=1
3k · sin
4k
1
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice,
esempio 2.
Esempio
Si mostri la convergenza della serie
+∞
X
k=1
k
2
4
k
2
k
+ 5
k
Traccia.
Osserviamo che raccogliendo 5
kal denominatore
k
24
k2
k+ 5
k=
k
24
k5
k((2/5)
k+ 1)
=
k
2(5/4)
k((2/5)
k+ 1)
e quindi da
√
kk
2→ 1,
p(5/4)
k k→ 5/4,
p(2/5)
k k+ 1 → 1 (perch`
e?)
kr
k
24
k2
k+ 5
k=
ks
k
2(5/4)
k((2/5)
k+ 1)
=
k√
k
2 kp(5/4)
k((2/5)
k+ 1)
→
4
5
implicando per definizione di limite che, per r ∈ (4/5, 1), definitivamente
k
q
k24k
Serie numeriche a termini positivi: criterio della radice,
esempio 2.
N : 10 S O M M A : 7 3 . 6 0 1 5 2 0 2 5 6 8 8 1 4 4 3 0 6 0 5 9 2 5 7 3 6 0 1 7 5 3 N : 30 S O M M A : 1 7 2 . 6 6 2 5 7 6 8 4 0 5 9 9 5 9 8 4 2 6 7 0 6 5 0 6 8 7 0 6 8 7 N : 50 S O M M A : 1 7 8 . 6 5 3 6 7 9 4 6 7 2 6 8 5 1 7 5 5 5 5 6 7 0 8 6 6 7 4 2 7 3 N : 70 S O M M A : 1 7 8 . 8 2 3 8 0 2 6 8 6 9 4 9 6 7 6 3 9 9 3 0 8 3 7 3 2 2 0 2 6 5 N : 90 S O M M A : 1 7 8 . 8 2 7 4 4 9 5 9 7 8 0 2 0 5 8 1 7 8 7 8 5 9 5 5 5 3 3 3 8 5 N : 110 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 7 0 7 7 4 3 4 6 3 4 9 8 4 4 5 6 3 5 1 9 5 8 2 1 5 N : 130 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 1 7 8 3 6 5 1 2 8 0 3 8 4 2 1 9 7 1 7 2 3 4 4 N : 150 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 5 9 6 0 4 6 8 4 7 3 4 2 2 2 2 4 6 3 3 3 9 6 N : 170 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 3 5 9 6 0 1 0 2 9 3 1 1 3 0 6 7 7 4 6 2 N : 190 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5 N : 210 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5 N : 230 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5 N : 250 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5 N : 270 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5 N : 290 SOMMA : 1 7 8 . 8 2 7 5 1 8 2 3 6 2 4 0 0 2 4 4 0 7 3 7 9 6 7 8 4 5 0 5 2 5Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=1
k
2
4
k2
k+5
k, per
Serie a termini di segno variabile.
Definizione (Serie assolutamente convergente)
La serie
P
n
k=0
a
k
, di segno arbitrario, si dice
assolutamente
convergente
se
P
n
k=0
|a
k
| `e (semplicemente) convergente.
Teorema
Se la serie
P
n
k=0
a
k
`
e
assolutamente convergente
, allora `
e pure
Serie a termini di segno variabile: segno alterno.
Delle serie
P
∞
k=0
a
k
in cui a
k
ha segno variabile, un esempio `
e la
seguente.
Definizione (Serie a segno alterno)
Una serie `
e a
segno alterno
se e solo se `
e del tipo
+∞
X
k=0
(−1)
k
a
k
Serie a termini di segno variabile.
Nota.
Esistono serie che sono semplicemente convergenti che non sono assolutamente
convergenti
.
Un esempio `
e
+∞X
k=1(−1)
k+11
k
αche risulta convergente per ogni α. Osserviamo che per α = 1, non `
e per`
o
assolutamente convergente in quanto
+∞
X
k=1(−1)
k+11
k
=
+∞X
k=11
k
Serie a termini di segno variabile.
N : 1 e+02 S O M M A : 0 . 6 8 8 1 7 2 1 7 9 3 1 0 1 9 5 0 3 1 2 9 8 7 4 6 9 2 6 0 4 1 N : 1 e+03 S O M M A : 0 . 6 9 2 6 4 7 4 3 0 5 5 9 8 2 2 2 5 2 5 0 4 8 8 6 8 1 9 2 2 4 N : 1 e+04 S O M M A : 0 . 6 9 3 0 9 7 1 8 3 0 5 9 9 5 8 2 6 6 1 4 9 1 8 0 8 7 2 1 6 2 N : 1 e+05 S O M M A : 0 . 6 9 3 1 4 2 1 8 0 5 8 4 9 6 7 2 3 7 9 5 5 1 4 0 7 1 7 5 3 1 N : 1 e+06 S O M M A : 0 . 6 9 3 1 4 6 6 8 0 5 6 0 2 5 4 6 3 5 4 9 4 7 4 3 5 2 4 7 6 0 N : 1 e+07 S O M M A : 0 . 6 9 3 1 4 7 1 3 0 5 6 0 0 6 0 0 5 4 0 9 4 1 5 1 3 8 2 7 4 2 N : 1 e+08 S O M M A : 0 . 6 9 3 1 4 7 1 7 5 5 6 0 3 9 5 5 1 2 0 5 0 6 0 4 3 3 8 5 8 3Nella tabella valutiamo la somma
Facoltativo. Serie a termini di segno variabile: criterio di
Cauchy.
Teorema (Criterio di Cauchy)
La serie
P
+∞
k=0
a
k
`
e convergente se e solo se per ogni > 0 esiste
Serie a termini di segno variabile: criterio di Leibniz.
Teorema (Criterio di Leibniz (Leibniz, 1682))
Sia una successione {a
n} tale che
lim
k→+∞a
k= 0;
{a
k} `
e
definitivamente non negativa e decrescente
per k → +∞, ovvero
tale che 0 ≤ a
k+1≤ a
k, perogni k ≥ k
0.
Allora la serie
+∞
X
k=0
(−1)
ka
k= a
0− a
1+ a
2− a
3+ . . .
`
e
semplicemente convergente
e, se 2n > k
0, le somme parziali s
2napprossimano
la somma S =
P
+∞ k=0(−1)
k
a
kper eccesso mentre le somme parziali s
2n+1approssimano la somma S per difetto.
Inoltre l’errore che si commette approssimando S con s
n`
e maggiorato dal
Serie a termini di segno variabile: criterio di Leibniz.
Esempio 1.
Esempio
La serie
+∞
X
k=0
(−1)
k
k − 4
k
2
+ 1
`
e convergente.
Traccia.
La successione {a
k
}
k∈N
definita da
a
k
=
k − 4
k
2
+ 1
`
e definitivamente positiva (visto che a
k
> 0 per k > 4) e infinitesima.
Inoltre si verifica facilmente (esercizio) che a
k+1
≤ a
k
per k ≥ 8. Di
Serie a termini di segno variabile: criterio di Leibniz.
Esempio 2.
Esempio
La serie
+∞X
k=1(−1)
klog(1 + sin(1/k))
`
e convergente.
Traccia.
La successione {a
k}
k∈Ndefinita da
a
k= log(1 + sin(1/k))
`
e definitivamente positiva, visto che 0 < 1/k ≤ 1 implica
0 < sin(1/k) < sin(1) e quindi 0 = log(1) < log(1 + sin(1/k)).
Facoltativo. Serie a termini di segno variabile: criterio di
Leibniz. Esempio 3.
Esempio
La serie
+∞
X
k=0
(−1)
k
log(1 + k
2
)
k
`
e convergente.
Traccia.
La successione {a
k
}
k∈N
definita da
a
k
=
log(1 + k
2
)
k
Facoltativo. Serie a termini di segno variabile: criterio di
Leibniz. Esempio 3.
Osserviamo per 1 + x
2
> e
2
,
(1 + x
2
) log(1 + x
2
) ≥ (1 + x
2
) log(e
2
) = 2(1 + x
2
)
e quindi
−(1 + x
2
) log(1 + x
2
) ≤ −2(1 + x
2
)
da cui
d
dx
log(1 + x
2
)
x
=
2x ·x
1+x
2− log(1 + x
2
)
x
2
=
2x
2
− (1 + x
2
) log(1 + x
2
)
x
2
(1 + x
2
)
≤
2x
2
− 2(1 + x
2
)
x
2
(1 + x
2
)
=
−2
x
2
(1 + x
2
)
< 0
Facoltativo. Serie a termini di segno variabile: criterio di
Leibniz. Esempio 3.
N : 1 e+02 SOMMA : − 0 .2 40 94 80 2 28 70 55 81 6 50 31 69 58 0 75 56 N : 1 e+03 SOMMA : − 0 .2 79 91 51 6 37 24 58 63 5 77 51 88 89 5 42 26 N : 1 e+04 SOMMA : − 0 .2 85 89 89 7 26 40 45 23 8 67 84 20 44 6 37 65 N : 1 e+05 SOMMA : − 0 .2 86 70 48 3 68 97 44 01 9 61 75 06 86 4 96 09 N : 1 e+06 SOMMA : − 0 .2 86 80 61 5 01 22 30 40 9 32 19 58 29 1 00 24 N : 1 e+07 SOMMA : − 0 .2 86 81 83 5 38 16 96 19 1 28 94 35 66 0 11 00 N : 1 e+08 SOMMA : − 0 .2 86 81 97 8 14 19 63 17 6 96 47 79 33 6 23 10Nella tabella valutiamo la somma
P
+∞
k=0
(−1)
k log(1+k
2