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Marisa Angélica Digión 1 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Marisa Angélica Digión 2 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Capítulo VI SUCESIONES Y SERIES INFINITAS DE NÚMEROS REALES Marisa Angélica Digión 3 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Función FUNCIÓN REAL DE VARIABLE REAL Pre-Cálculo Límite Continuidad Cálculo Diferencial Integral Caso Particular: SUCESIONES INFINITAS DE NÚMEROS REALES SERIES INFINITAS DE NÚMEROS REALES Marisa Angélica Digión 4 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II CONTENIDO 1. INTRODUCCION 1.1 Presentación del tema 1.2 Objetivos 1.3 Conceptos previos 2. SUCESIÓN INFINITA DE NÚMEROS REALES 2.1 Definición 2.2 Términos de una sucesión y Término general 2.3 Notación 2.4. Representación gráfica en R2 y en R1 2.4.1 Representación gráfica en R2 2.4.2 Representación gráfica en R1 2.5 Operaciones con sucesiones 2.6 Límite de una sucesión 2.6.1 Definición intuitiva 2.6.2 Convergencia y divergencia de una sucesión 2.6.3 Propiedades de las sucesiones convergentes 2.7 Sucesiones particulares 2.7.1 Sucesión aritmética i) Definición ii) Término general “an” de una sucesión aritmética iii) Propiedad de una sucesión aritmética iv) Suma de los “n” primeros términos de una sucesión aritmética 2.7.2 Sucesión geométrica i) Definición ii) Término general “an” de una sucesión geométrica iii) Suma de los “n” primeros términos de una sucesión geométrica 3. SERIE INFINITA DE NÚMEROS REALES 3.1 Definición 3.2 Sucesión de Sumas Parciales 3.3 Convergencia y divergencia de una serie 3.4 Condición necesaria para la convergencia de una serie 3.5 Propiedades de las series convergentes Marisa Angélica Digión 5 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II 3.6 Series particulares 3.6.1 Serie aritmética i) Definición ii) ¿Convergencia de una serie aritmética? 3.6.2 Serie geométrica i) Definición ii) ¿Convergencia de una serie geométrica? 4. APLICACIONES Marisa Angélica Digión 6 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II 1.1 PRESENTACIÓN DEL TEMA En este Capítulo se presentarán, como temas centrales, los conceptos de Sucesiones y Series Infinitas de Números Reales. En la vida cotidiana, muchas veces pensamos en términos de sucesiones: una sucesión de hechos delictivos, una sucesión de actos para conmemorar una fecha festiva, una sucesión de eventos que llevan a la concreción de un cierto objetivo, entre otros. En el ámbito de la Matemática, la noción de sucesión es semejante a la de los ejemplos dados solo que, en este ámbito y en el caso de esta asignatura, se habla de sucesión de números, tema en el cual intervienen tres ideas centrales: la de orden, la de ley de formación y la de convergencia. Por otra parte, el concepto de serie de números se define a partir del concepto de sucesiones de números. La importancia del estudio de las series tiene que ver con la convergencia de las mismas, cuestión que está relacionada –al igual que en el estudio de la derivada y la integral definida-, con el cálculo de límites; de existir los mismos, es posible afirmar que una suma infinita de números reales “da como resultado” un número finito. 1.2 OBJETIVOS ✓ Reconocer a la Sucesión Infinita de Números Reales como un caso particular de FRVR. ✓ Definir y operar algebraicamente con Sucesiones Infinitas de Números Reales. ✓ Estudiar, gráficamente y analíticamente, la convergencia/divergencia de una Sucesión Infinita de Números Reales. ✓ Determinar –de existir- el límite de una Sucesión Infinita de Números Reales aplicando los conocimientos aprendidos precedentemente para FRVR. ✓ Reconocer las características fundamentales que definen a las particulares Sucesiones Infinitas de Números Reales: Aritmética y Geométrica. ✓ Comprender de qué manera se generan las Series Infinitas de Números reales. ✓ Estudiar la convergencia, o la divergencia, de una Serie Infinita de Números Reales. ✓ Definir, notar y estudiar la convergencia de las particulares Series Infinitas de Números Reales: Aritmética y Geométrica. 1.3 CONCEPTOS PREVIOS Para abordar los temas desarrollados en este Capítulo, necesitas tener presente: 1. INTRODUCCIÓN Marisa Angélica Digión 7 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II o El concepto, el valor numérico, la representación gráfica y el límite de una Función Real de Variable Real. o Las operaciones algebraicas entre dos Funciones Reales de Variable Real. o El uso del símbolo sumatoria (). o Las operaciones algebraicas con números reales. Marisa Angélica Digión 8 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II En el contexto de esta materia definiremos al concepto del título precedente de la siguiente manera. 2.1 DEFINICIÓN Una sucesión infinita de números reales es una particular función real de variable real, tal que a cada número natural (N) le corresponde un único número real (R). Tomando en consideración la notación de función real de variable real que ya conocemos, podemos indicar a una sucesión infinita de números reales (en adelante, simplemente sucesión) de la siguiente manera: f: N → R n → f(n)=an EJEMPLOS Las siguientes son sucesiones escritas con la notación correspondiente a funciones reales de variable real: a) f: N → R n → f(n)= an = 2n + 1 b) f: N → R n → f(n)= an= 1 n2 Nota 1 También, puede ser dominio una sucesión, el conjunto de los números naturales (N) ampliado o restringido: * Ampliado, en el caso que al conjunto de los naturales se le anexe el número cero 0 N 0 * Restringido, para que la expresión f(n)=an tenga sentido A N EJEMPLOS Observemos los dominios de las siguientes sucesiones. a) f: N 0 → R n → f(n)= an= n3 2. SUCESIÓN INFINITA DE NÚMEROS REALES Marisa Angélica Digión 9 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II En este caso, el dominio de la sucesión es el conjunto de los números naturales al que se ha ampliado con el número cero; la expresión: f(n)= an= n3 tiene sentido para todo n del citado conjunto. b) f: [5,+) N → R n → f(n)= an= 1√𝑛−4 Este es un ejemplo de dominio donde el conjunto de los números naturales está restringido, ya que solo para los números naturales mayores o iguales a 5, la expresión f(n)= an= 1√𝑛−4 tiene sentido. Nota 2 A continuación, solo se trabajará con sucesiones con dominio en el conjunto de los números naturales. 2.2 TÉRMINOS DE UNA SUCESIÓN Y TÉRMINO GENERAL Sea la sucesión, definida por: f: N → R n → f(n)=an y asignemos valores a la variable independiente “n”: • Para n=1 f(1)=a1 , se denomina 1° Termino de la sucesión • Para n=2 f(2)=a2 , se denomina 2° Termino de la sucesión • Para n=3 f(3)=a3 , se denomina 3° Termino de la sucesión ... • Para n f(n)=an , se denomina Término General de la Sucesión EJEMPLO Para la sucesión definida por: f: N → R n → f(n)= an= 2n + 1es: Marisa Angélica Digión 10 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II El Término general de la sucesión: f(n)= an= 2n + 1 El 1° Término de la sucesión: f(1)= a1 = 2.1 + 1= 3 El 2° Término de la sucesión: f(2)= a2 = 2.2 + 1= 5 El 3° Término de la sucesión: f(3)= a3 = 2.3 + 1= 7 …. 2.3 NOTACIÓN Como se definió precedentemente, una sucesión es un caso particular de una función real de variable real; por lo tanto, la notación ya conocida para función real de variable real, también es válida para sucesión. f: N → R n → f(n)= an No obstante, dada la importancia que tienen las sucesiones, éstas cuentan con una notación propia; a una sucesión se la indica con: an 𝒏=𝟏+ o simplemente an (como ya se mencionó, en ambos casos n N) EJEMPLOS Dadas las siguientes sucesiones, escribir los primeros cinco términos. a) n2 𝑛=1+ b) 1n+1 Solución ➢ En Caso a), el término general es: an = n2 . Así: Para n=1, el 1° término es: a1 = 12= 1 Para n=2, el 2° término es: a2 = 22= 4 Para n=3, el 3° término es: a3 = 32= 9 Para n=4, el 4° término es: a4 = 42= 16 Para n=5, el 5° término es: a5 = 52= 25 Marisa Angélica Digión 11 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Pudiendo escribir a la sucesión, indicando los cinco primeros términos, de la siguiente forma: 𝐧𝟐 𝒏=𝟏+ = 1, 4, 9, 16, 25, … ➢ En Caso b), el término general es: an = 1n+1 Luego: Para n=1, el 1° término es: a1 = 11+1= 12 Para n=2, el 2° término es: a2 = 12+1= 13 Para n=3, el 3° término es: a3 = 13+1= 14 Para n=4, el 4° término es: a4 = 14+1= 15 Para n=5, el 5° término es: a5 = 15+1= 16 Así: 𝟏𝐧+𝟏 = 𝟏𝟐, 𝟏𝟑 , 𝟏𝟒, 𝟏𝟓, 𝟏𝟔, … Nota: NO CONFUNDIR … an es la sucesión con: an es el término general de la sucesión 2.4 REPRESENTACIÓN GRÁFICA EN R2 Y R1 2.4.1 Representación gráfica en R2 Por ser una sucesión una particular función real de variable real, es posible representarla gráficamente en el espacio de dos dimensiones R2. Definición Sea la sucesión definida por an . Su representación gráfica en el espacio de dos dimensiones R2 está formada por el conjunto infinito de puntos aislados de la forma Pn (n, an) para todo número natural “n”. Marisa Angélica Digión 12 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II EJEMPLO ¿Cuál es la gráfica en R2 de la sucesión definida por an = 1n ? Solución Formemos la siguiente tabla: n 𝟏𝐧 (n, an = 𝟏𝐧 ) Pn (n, an = 𝟏𝐧 ) 1 1 (1, 1) P1(1, 1) 2 12 (2,12) P2 (2,12) 3 13 (3, 13 ) P3 (3, 13 ) 4 14 (4, 14 ) P4 (4, 14 ) 5 15 (5, 15 ) P5 (5, 15 ) 6 16 (6, 16 ) P6 (6, 16 ) 7 17 (7, 17 ) P7 (7, 17 ) 8 18 (8, 18 ) P8 (8, 18 ) 9 19 (9, 19 ) P9 (9, 19 ) 10 110 (10, 110 ) P10 (10, 110 ) y llevemos los puntos a un sistema de coordenadas cartesianas; obtendremos lo siguiente: Marisa Angélica Digión 13 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Si bien no se han representado gráficamente todos los puntos que forman la gráfica de la sucesión, los diez primeros, nos dan una idea del comportamiento gráfico de la misma cuando el valor de n crece. 2.4.2 Representación gráfica en R1 Una forma alternativa de representar gráficamente las sucesiones es utilizando un solo eje de coordenadas con dirección, origen y sentido; en éste se indican solamente los valores de an. Sea la sucesión definida por an . Su representación gráfica en el espacio de unidimensional R está formada por el conjunto infinito de puntos aislados de la forma Pn (an) para todo número natural “n”. EJEMPLO Consideremos nuevamente la sucesión del ejemplo precedente an = 1n . En este caso la gráfica de la sucesión sería, para los cuatro primeros términos, la siguiente: a4= 𝟏𝟒 a2= 𝟏𝟐 0 a3= 𝟏𝟑 a1= 1 an 2.5 OPERACIONES CON SUCESIONES Sean las sucesiones definidas por: an bn Entonces, se define entre ellas nuevas sucesiones: * Suma de sucesiones: an+ bn * Diferencia de sucesiones: an- bn * Producto de sucesiones: an . bn * Cociente de sucesiones: an /bn con bn 0 n N EJEMPLOS: Sean las sucesiones definidas de la siguiente manera: Marisa Angélica Digión 14 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II nn+1 1n * El término general de la sucesión suma es: nn + 1 + 1n = n2 + n + 1n2 + n y la Sucesión Suma queda determinada por: 𝐧𝟐+𝐧+𝟏𝐧𝟐+𝐧 * Procediendo de idéntica forma para determinar las sucesiones diferencia, producto y cociente, se obtiene que: Sucesión Diferencia: 𝒏𝟐−𝒏−𝟏𝒏𝟐+𝒏 Sucesión Producto: 𝐧𝐧𝟐+𝐧 = 𝟏𝐧+𝟏 (pues n0), Sucesión Cociente: 𝐧𝟐𝐧+𝟏 2.6 LÍMITE DE UNA SUCESIÓN Al dar la definición de sucesión, indicamos que la misma es un caso particular de una función real de variable real. Luego, si fue posible definir intuitivamente el concepto de límite de una función real de variable real, también podremos referirnos, de la misma manera, al límite de una sucesión. 2.6.1 Definición intuitiva Sea la sucesión definida por an . El número real L es el límite de la sucesión an y escribimos: 𝐥𝐢𝐦𝒏→+∞ 𝐚𝐧 = L o bien an → L tanto como n→+ si conforme “n” crece sin límite, el término de la sucesión an se acerca a L. 2.6.2 Convergencia y divergencia de una sucesión La sucesión an es convergente si y solo si existe 𝐥𝐢𝐦𝒏→+∞ 𝐚𝐧 = L con L R. Si no existe L, la sucesión an es divergente. Marisa Angélica Digión 15 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Nota: ya que “n” es un número natural y solo puede crecer a valores positivos, en adelante, obviaremos el signo “+” que precede al símbolo “”. EJEMPLOS a) Estudiar, analíticamente, si la sucesión 2n−13n+1 es convergente o divergente. Solución Apliquemos el método analítico con el paso al límite: lim𝑛→∞ 2n−13n+1 = ¡Indeterminación! Procedemos a eliminar la indeterminación: limn→∞ 2n−13n+1 = limn→∞ 2n−1n3n+1n = limn→∞ 2−1 n⁄3+1 n⁄ = 23 Así: 2n−13n+1 → 23 conforme n→ Finalmente: la sucesión 2n−13n+1 es convergente y converge a 𝟐𝟑 y 𝐥𝐢𝐦𝒏→∞ 𝟐𝐧−𝟏𝟑𝐧+𝟏 = 𝟐𝟑 b) Aplicar el método gráfico para establecer que: limn→∞ 1n2+1 = 0. Solución Representemos gráficamente la sucesión en R2, ubicando en el sistema de coordenadas cartesianas algunos términos de la misma: a1=1/2; a2=1/5; a3=1/10; a4=1/17; a5= 1/26; a6= 1/37; a7= 1/50 y a8=1/65. Marisa Angélica Digión 16 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Observamos el comportamiento de los puntos de la sucesión y llegamos a determinar que: 𝟏𝐧𝟐+𝟏 → 0 cuando n→ o lo que es lo mismo que: 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝟏𝐧𝟐+𝟏 = 0 2.6.3 Propiedades de las sucesiones convergentes Si las sucesiones an y bn son convergentes y tales que 𝐥𝐢𝐦𝐧→𝐚𝐧 = A y 𝐥𝐢𝐦𝐧→𝐛𝐧 = B, con A y B números reales, entonces: • La sucesión an + bn es convergente y su valor de convergencia es 𝐥𝐢𝐦𝐧→(𝐚𝐧 + 𝐛𝐧) = A + B • La sucesión an - bn es convergente y suvalor de convergencia es 𝐥𝐢𝐦𝐧→(𝐚𝐧 − 𝐛𝐧) = A - B • La sucesión an . bn es convergente y su valor de convergencia es 𝐥𝐢𝐦𝐧→(𝐚𝐧 . 𝐛𝐧) = A . B • La sucesión an / bn es convergente y su valor de convergencia es 𝐥𝐢𝐦𝐧→(𝐚𝐧 /𝐛𝐧) = A / B con bn 0 n N y B0 EJEMPLO Consideremos las siguientes sucesiones convergentes an y bn, respectivamente: 1n3 → 0 n1+n → 1 Marisa Angélica Digión 17 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Entonces, las sucesiones: an + bn = 1n3 + n1+n → 1 [= 0+1] an - bn = 1n3 - n1+n → -1 [= 0-1] an . bn = 1n3 . n1+n → 0 [= 0.1] an / bn = 1n3 / n1+n → 0 [= 0/1] 2.7 SUCESIONES PARTICULARES Dos sucesiones particulares son la Sucesión aritmética y la Sucesión geométrica, ambas de singular interés en el ámbito del Cálculo Financiero. Veremos a continuación sus correspondientes definiciones y características. 2.7.1 Sucesión aritmética i) Definición Una sucesión es aritmética cuando cada término – salvo el primero- se obtiene, sumándole al anterior, una constante real no nula, a la cual se denomina “diferencia”. O sea: an+1 = an + d n N d (diferencia) R-0 Una forma alternativa de definir una sucesión aritmética, que se apoya en la ya dada, es la siguiente: Una sucesión es aritmética cuando la diferencia entre dos términos consecutivos es una constante real no nula, a la cual se denomina “diferencia”. O sea: an+1 - an = d n N d (diferencia) R-0 EJEMPLOS a) Determinar si la sucesión 1, 4, 7, 10, 13, 16,… es aritmética. En caso de serlo, ¿cuál es el valor de la diferencia? Solución Observemos que, si aplicamos la primera definición, se cumple que: 4= 1+3 7= 4+3 Marisa Angélica Digión 18 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II 10= 7+3 13= 10+3 16= 13+3 … Así, cada término -salvo el primero- se obtiene a partir del anterior sumándole 3; luego es una sucesión aritmética con diferencia d=3. También, es posible chequear que es una sucesión aritmética, utilizando la segunda definición; en este caso: 4 – 1 = 3 7 – 4 = 3 10 - 7 = 3 13 - 10 = 3 16 – 13 = 3 … Lo cual indica que, efectivamente, es una sucesión aritmética con diferencia d=3. b) Obtener los 5 primeros términos de la sucesión aritmética cuyo primer término es a1= 12 y la diferencia es d= 2. a1= 12 a2= 12 + 2 = 52 a3= 52 + 2 = 92 a4= 92 + 2 = 132 a5= 132 + 2 = 172 … Luego, la sucesión aritmética es: 𝟏𝟐, 𝟓𝟐, 𝟗𝟐, 𝟏𝟑𝟐 , 𝟏𝟕𝟐 , …. ii) Término general “an” de una sucesión aritmética A partir de la definición de sucesión aritmética es posible determinar la forma del término general an de la misma, teniendo como datos el primer término y la diferencia. Veamos de qué manera. Sea la sucesión aritmética an , cuyo primer término es a1 y la diferencia es d. Entonces, aplicando la primera definición de sucesión aritmética, se tiene que: Marisa Angélica Digión 19 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II a1 a2 = a1 + d= a1 + (2-1) d a3 = a2 + d= (a1 + d) + d= a1 + 2d= a1 + (3-1) d a4 = a3 + d= (a1 + 2d) + d= a1 + 3d= a1 + (4-1) d a5 = a4 + d= (a1 + 3d) + d= a1 + 4d= a1 + (5-1) d … an = a1 + (n-1) d término general de la sucesión aritmética Luego es posible expresar, en forma general, a la sucesión aritmética de la siguiente manera: an = a1 + (n-1) d sucesión aritmética Nota: una forma simplificada de obtener la expresión para el término general an es la siguiente: a1 a2 = a1 + d= a1 + (2-1) d a3 = a1 + 2d= a1 + (3-1) d a4 = a1 + 3d= a1 + (4-1) d a5 = a1 + 4d= a1 + (5-1) d … an = a1 + (n-1) d Nota: Las sucesiones aritméticas son divergentes pues 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝐚𝐧= 𝐥𝐢𝐦𝒏→∞[𝐚𝟏 + (𝐧 − 𝟏)𝐝] = EJEMPLOS Determinar el término general de cada una de las siguientes sucesiones aritméticas: a) 1, 4, 7, 10, 13, 16,… Como: a1=1 y d= 4-1 = 3 [No es necesario chequear las otras diferencias pues el enunciado ya indica que es una sucesión aritmética] es: an = a1 + (n-1) d = 1 + (n-1) 3 =1 + 3(n-1) an = 1 + 3(n-1) Veamos si, efectivamente, aplicando esta fórmula obtenemos los términos de la sucesión dada: a2 = 1 + 3(2-1)= 1+3= 4 a3 = 1 + 3(3-1)= 1+6=7 a4 = 1 + 3(4-1)= 1+9=10 Marisa Angélica Digión 20 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II a5 = 1 + 3(5-1)= 1+12=13 a6 = 1 + 3(6-1)= 1+15=16 ¡Correcto! b) 12, 52, 92, 132 , 172 , … En este caso: a1= 12 y d= 52 − 12 = 2 [No es necesario chequear las otras diferencias pues el enunciado ya indica que es una sucesión aritmética] es: an = a1 + (n-1) d = 12 + (n-1) 2 =12 + 2(n-1) an = 𝟏𝟐 + 2(n-1) Veamos si, efectivamente, aplicando esta fórmula obtenemos los términos de la sucesión dada: a2 = 12 + 2(2-1)= 12 +2= 52 a3 = 12 + 2(3-1)= 12 +4= 92 a4 = 12 + 2(4-1)= 12 +6=132 a5 = 12 + 2(5-1)= 12 +8=172 ¡Correcto! iii) Propiedad de una sucesión aritmética Sea la sucesión aritmética a1, a2, a3, …, an-2, an-1, an … . Entonces la suma de los términos simétricos es igual a una constante. O sea: a1 + an = a2 + an-1 = a3 + an-2 = … = constante real no nula (la suma del primer término más el último término explicitado es igual a la suma del segundo término más el penúltimo término, igual a la suma del tercer término más el antepenúltimo término, y así sucesivamente). Justificación * Sea la siguiente una sucesión aritmética: a1, a2, a3, a4, a5, a6, …, donde: Marisa Angélica Digión 21 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II a2 = a1 + d a3 = a1 + 2d a4 = a1 + 3d a5 = a1 + 4d a6 = a1 + 5d En este caso, los términos simétricos consignados son: a1 y a6 , a2 y a5 , a3 y a4; sumándolos obtendremos: a1 + a6 = a1 + (a1 + 5d) = 2 a1 + 5d a2 + a5 = (a1 + d) + (a1 + 4d) = 2 a1 + 5d a3 + a4 = (a1 + 2d) + (a1 + 3d) = 2 a1 + 5d Así, todas las sumas realizadas dan como resultado el mismo valor constante “2 a1 + 5d”. * Realicemos el mismo proceso anterior, si la sucesión aritmética es: a1, a2, a3, a4, a5, …, donde: a2 = a1 + d a3 = a1 + 2d a4 = a1 + 3d a5 = a1 + 4d En este caso, los términos simétricos consignados son: a1 y a5 , a2 y a4 , a3 y a3; sumándolos obtendremos: a1 + a5 = a1 + (a1 + 4d) = 2 a1 + 4d a2 + a4 = (a1 + d) + (a1 + 3d) = 2 a1 + 4d a3 + a3 = (a1 + 2d) + (a1 + 2d) = 2 a1 + 4d Finalmente, todas las sumas realizadas dan como resultado el mismo valor constante “2 a1 + 4d”. Nota: la justificación dada es independiente del número de términos de la sucesión que se especifiquen y si dicho número es par o impar. EJEMPLO En la sucesión: 1, 4, 7, 10, 13, 16, …se cumple que: 1+16= 4+13= 7+10= 17 [constante] iv) Suma de los “n” primeros términos de una sucesión aritmética Supongamos que an es una sucesión aritmética y con Sn indiquemos la suma de los “n” primeros términos de la misma, o sea: Marisa Angélica Digión 22 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Sn= a1+ a2+ a3+… +an-2+ an-1+an (1) Como la suma es conmutativa, podemos escribirla anterior como: Sn= an+ an-1+ an-2 +…+ a3+a2+a1 (2) Sumando (1) y (2) miembro a miembro y aplicando la propiedad asociativa de la suma, obtendremos: Sn+ Sn = (a1+ an) + (a2+ an-1) + (a3+ an-2) +… +(an-2+a3) +(an-1+a2) +(an+a1) (3) =2 Sn n términos Pero por la propiedad de simetría de los términos de una sucesión aritmética, se cumple que: (a1+ an)= (a2+ an-1)= (a3+ an-2) =… = +(an-2+a3) = (an-1+a2)= (an+a1) [constante] quedando así la expresión (3) como: 2Sn= (a1+ an) n Sn= (𝐚𝟏+ 𝐚𝐧).𝐧𝟐 EJEMPLO ¿Cuánto vale la suma de los 6 primeros términos de la sucesión aritmética 1, 4, 7, 10, 13, 16, … Solución Una forma de resolverlo es sumando los seis primeros términos dados: 1+4+7+10+13+16 = 51 Otra forma de hacerlo es aplicando la fórmula: S6= (1+ 16).62 = 51 2.7.2 Sucesión geométrica i) Definición Una sucesión es geométrica cuando cada término – salvo el primero- se obtiene multiplicándole al anterior, una constante real no nula, a la cual se denomina “razón”. O sea: an+1 = r an n N r (razón) R-0 Una forma alternativa de definir una sucesión geométrica, que se apoya en la ya dada, es la siguiente: Marisa Angélica Digión 23 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Una sucesión es geométrica si la razón (constante real no nula) entre cada término y el anterior es un valor constante, al cual se denomina “razón”. O sea: 𝒂𝒏+𝟏𝒂𝒏 = r n N r (razón) R-0 Nota: en este curso, no trabajaremos con sucesiones geométricas de razón 1 y -1. EJEMPLOS a) Determinar si la sucesión 2, 6, 18, 54, 162, … es geométrica. En caso de serlo, ¿cuál es el valor de la razón? Solución Utilizando la primera definición, observemos que: 6 = 3.2 18 = 3.6 54= 3. 18 162 = 3. 54 … Con lo cual cada término es igual al anterior multiplicado por una constante que en este caso es 3 (razón); es entonces una sucesión geométrica con razón r=3. Aplicando la segunda definición, llegaremos a la misma conclusión: 62 = 3 186 = 3 5418 = 3 16254 = 3 … Así, la razón entre un término y el anterior es constante; luego es una sucesión geométrica con razón r=3. b) Obtener los 5 primeros términos de la sucesión geométrica cuyo primer término es a1= 12 y la razón es r= 2. Marisa Angélica Digión 24 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Solución a1= 12 a2= 12 . 2 = 1 a3= 1 . 2 = 2 a4= 2 . 2 = 4 a5= 4 2 = 8 … Luego, la sucesión geométrica es: 12, 1, 2, 4,8, …. ii) Término general “an” de una sucesión geométrica A partir de la primera versión de la definición de sucesión geométrica es posible determinar la forma del término general an de la misma, teniendo como datos el primer término y la razón. Veamos de qué manera: Para una sucesión geométrica de primer término a1 y razón r es: a1 a2 = a1 . r a3 = a2 . r = (a1 . r). r = a1 r2 a4 = a3 . r = (a1 . r2). r = a1 r3 a5 = a4 . r = (a1 . r3). r = a1 r4 … an = a1 . r n-1 término general de la sucesión geométrica Luego es posible expresar, en forma general, a la sucesión geométrica de la siguiente manera: an = a1 . r n-1 sucesión geométrica EJEMPLOS a) Determinar el término general de cada una de las siguientes sucesiones geométricas: i) 5, 10, 20, 40, 80,… Solución Como: a1=5 y r= 105 =2 [No es necesario chequear los otros cocientes pues el enunciado ya indica que es una sucesión geométrica] es: Marisa Angélica Digión 25 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II an = a1 .r n-1 = 5 . 2 n-1 an = 5. 2 n-1 Veamos si, efectivamente, aplicando esta fórmula obtenemos los términos de la sucesión dada: a2 = 5. 2 2-1 = 5. 2 = 10 a3 = 5. 2 3-1 = 5. 4 = 20 a4 = 5. 2 4-1 = 5. 8 = 40 a5 = 5. 2 5-1 = 5. 16 = 80 ¡Correcto! ii) 12, 32, 92, 272 , 812 , … Solución En este caso: a1= 12 y r= 3212 = 3 [No es necesario chequear los otros cocientes pues el enunciado ya indica que es una sucesión geométrica] es: an = a1 . r n-1 = 12 . 3 n-1 an = 𝟑𝒏−𝟏𝟐 Veamos si, efectivamente, aplicando esta fórmula obtenemos los términos de la sucesión dada: a2 = 32−12 = 32 a3 = 33−12 = 92 a4 = 34−12 = 272 a5 = 35−12 = 812 ¡Correcto! b) Determinar el 8° término de la sucesión geométrica an =(−1)2𝑛−1 Para aplicar la fórmula de término n-esimo: an = a1 . r n-1 , se necesitan determinar previamente el 1° término y la razón. Por ello: Marisa Angélica Digión 26 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II El 1° término es: a1= (−1)21−1= (- 1) 20 = (-1). 1 = -1 El 2° término es: a2= (−1)22−1= (- 1) 2 = -2 Como se sabe que es una progresión geométrica, la razón es: −2 −1 = 2= r Luego, el 8° término es: a8= (−1)28−1= (- 1) 27 = (-1). 128 = -128 a8 = -128 Nota: Las sucesiones geométricas: * Son convergentes, si la razón r es tal que -1< r < 1 (r0) * Son divergentes, si r < -1 o r > 1 iii) Suma de los “n” primeros términos de una sucesión geométrica Supongamos que an es una sucesión geométrica de primer término a1 y de razón r. Con Sn indiquemos la suma de los “n” primeros términos de la misma, o sea: Sn= a1+ a2+ a3+… + an-1+an Sn= a1+ a1.r + a1. r2+ a1. r3+… + a1. rn-2+ a1. rn-1 (1) Multiplicamos a (1) por la razón “r”, y obtenemos: r. Sn= a1.r + a1.r2 + a1. r3+ a1. r4+… + a1. rn-1+ a1. rn (2) Restando, miembro a miembro, (1) menos (2): Sn - r. Sn = (a1+ a1.r + a1. r2+ a1. r3+… + a1. rn-2+ a1. rn-1) – (a1.r + a1.r2 + a1. r3+ a1. r4+… + a1. rn-1+ a1. rn) Cancelando los términos semejantes, con distinto signo, la última igualdad queda: Sn - r. Sn = (a1- a1. r n) Realizando operaciones algebraicas: Sn ( 1- r) = a1 (1- r n) Sn = a1 1−r (1 − rn) O bien, sacando factor común (-1) en el numerador y en el denominador, se obtiene: Sn = 𝐚1 𝐫−𝟏 (𝐫𝐧 − 𝟏) Marisa Angélica Digión 27 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II EJEMPLOS a) ¿Cuánto vale la suma de los 10 primeros términos de la sucesión geométrica 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560,…? Solución Una forma de resolverlo es sumando: 5+10+20+40+80+160+320+640+ 1280+2560= 5115 Otra forma de hacerlo es considerando que a1=5 y r=2 y aplicando la fórmula de Sn: S10 = 5 2−1 (210 − 1)= 5 1 (1023)= 5115 S10 = 5115 (mismo resultado que el anterior) b) ¿Cuánto vale la suma de los 10 primeros términos de la sucesión geométrica de primer término a1 = 2 y r = - 2? Solución En este caso es a1= 2 la razón r = -2, entonces aplicando la fórmula de Sn: S10 = 2 −2−1 [(−2)10 − 1]= − 2 3 (1023)= -682 S10 = -682 3.1 DEFINICIÓN Sea la sucesión infinita de números reales an = a1, a2, a3, a4, a5, …. La expresión de la forma: a1+ a2+ a3+ a4+ a5+…= ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 se la denomina Serie Infinita de Números Reales. Nota: en adelante, a la serie infinita de números reales, se la denominará simplemente Serie. EJEMPLOS a) La sucesión 12n da origen a la serie: 3. SERIE INFINITA DE NÚMEROS REALES Marisa Angélica Digión 28 Universidad Nacional de Jujuy Facultad deCiencias Económicas Matemática II 12 + 122 + 123 + 124 + 125 + ⋯ = ∑ 𝟏𝟐𝐤∞𝐤=𝟏 b) La sucesión 310n da origen a la serie: ∑ 310k∞k=1 cuyo desarrollo es: ∑ 310k∞k=1 = 310 + 3100 + 31000 + 310000 + 3100000+…= 0,3 + 0,33+ 0,333+ 0,3333+ 0,33333+ …= = 0,33333… = 13 Nota: realicemos una comparación entre los ejemplos a) y b): * En el ejemplo a), se ha determinado la serie, sin indicar si la misma “da como resultado” un número. * En el ejemplo b), la serie “da como resultado” un número. Esto nos da motivo para preguntarnos: una serie, o sea, una suma infinita de números reales, “¿tiene siempre resultado?”, o sea, ¿existe un número real S tal que la serie ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 = S? Responderemos esta pregunta tras desarrollar el siguiente tema. 3.2 SUCESIÓN DE SUMAS PARCIALES Sea la sucesión infinita de números reales an . Formemos las siguientes sumas: S1= a1 S2= a1 + a2 S3= a1 + a2 + a3 S4= a1 + a2 + a3+ a4 S5= a1 + a2 + a3+ a4 + a5 … Sn= a1 + a2 + a3+ a4 + a5 +… + an … La nueva sucesión que se genera de término general Sn, o sea Sn, recibe el nombre de Sucesión de Sumas Parciales. Marisa Angélica Digión 29 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II EJEMPLO La sucesión an= 12n da origen a las sumas parciales: S1= 12 S2= 12 + 122 = 34 = 4−14 = 1- 14 = 1- 122 S3= 12 + 122 + 123 = 78 = 8−18 = 1 - 18 = 1 - 123 S4= 12 + 122 + 123 + 124 = 1516 = 16−116 = 1 - 116 = 1 - 124 S5= 12 + 122 + 123 + 124 + 125 = 3132 = 32−132 = 1 - 132 = 1 - 125 … Sn= 12 + 122 + 123 + 124 + 125 + ⋯ + 12𝑛 = 1 - 12n … Siendo la sucesión de sumas parciales de la forma Sn=1 − 12n . 3.3 CONVERGENCIA Y DIVERGENCIA DE UNA SERIE Retomemos la pregunta que planteamos previamente. Una serie ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 , “¿tiene siempre resultado?”, o sea, ¿existe un número real S tal que la serie ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 = S? Para responder a esta pregunta, es necesario hablar de “convergencia y divergencia de una serie”. Al respecto decimos lo siguiente. Sea la sucesión infinita de números reales an y, asociada a ella, la sucesión de sumas parciales Sn . * Si la sucesión de sumas parciales Sn es convergente a un número S, o sea 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝐒𝐧= S, entonces la serie infinita de números reales ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 es convergente a S y se escribe ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 = S. El número S recibe el nombre de suma de la serie. * Si la sucesión de sumas parciales Sn es divergente, entonces la serie infinita de números reales ∑ 𝐚𝐤∞𝐤=𝟏 es divergente. Marisa Angélica Digión 30 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II EJEMPLO Consideremos, otra vez, la sucesión an= 12n y la sucesión de sumas parciales asociada Sn=1 − 12n . La serie ∑ 12k k=1 , ¿es convergente o divergente? Solución Para estudiar la convergencia o divergencia de la serie, debemos estudiar la convergencia o divergencia de la sucesión de sumas parciales, lo cual lo hacemos a través del siguiente cálculo: lim𝑛→∞ 𝑆𝑛 = lim𝑛→∞(1 − 12𝑛) = lim𝑛→∞ 1 − lim𝑛→∞ 12𝑛 = 1 – 0 = 1 La sucesión de sumas parciales Sn = 1 − 12𝑛 converge a 1 La serie ∑ 12k k=1 también converge a 1 (suma de la serie) y se escribe: ∑ 𝟏𝟐𝐤 𝐤=𝟏 = 𝟏 3.4 CONDICIÓN NECESARIA PARA LA CONVERGENCIA DE UNA SERIE Según lo visto en el punto anterior, para estudiar la convergencia o divergencia de una serie, es necesario determinar una expresión que defina al término general Sn de la sucesión de sumas parciales Sn. Esta tarea no es sencilla. Por tal razón, se deben proponer, otras herramientas que permitan determinar si una serie es, o no es, convergente. La siguiente es una de ellas. Teorema Sea la sucesión infinita de números reales an y la serie infinita de números reales ∑ 𝐚𝐤=𝟏 K. Si la serie ∑ 𝐚𝐤=𝟏 K es convergente, entonces 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝐚𝐧 = 0. El contra-recíproco de este Teorema permite determinar, de manera precisa, la divergencia de una serie. Sea la sucesión infinita de números reales an y la serie infinita de números reales ∑ 𝐚𝐤=𝟏 K. Si 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝐚n 0 o 𝐥𝐢𝐦𝐧→∞ 𝐚n no existe, entonces la serie ∑ 𝐚𝐤=𝟏 K es divergente. EJEMPLOS a) Demostrar que la serie ∑ kk=1 es divergente. Solución La sucesión que corresponde a esta serie es n. Calculando el límite del término general, se obtiene: Marisa Angélica Digión 31 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II limn→∞ n = (no existe el límite) ∑ 𝐤𝐤=𝟏 es divergente b) Demostrar que la serie ∑ k3 k3+5k=1 es divergente. Solución La sucesión que corresponde a esta serie es n3 n3+5. Calculando el límite del término general, se obtiene: limn→∞ n3 n3+5 = limn→∞ n3 n3(1+ 5𝑛3) = limn→∞ 11+ 5𝑛3 = 1 0 ∑ 𝐤𝟑 𝐤𝟑+𝟓𝐤=𝟏 es divergente 3.5 PROPIEDADES DE LAS SERIES CONVERGENTES 1) Si ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es una serie convergente de suma igual a A [o sea ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 = A] y “c” es una constante real no nula, entonces la serie ∑ 𝐜 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es también convergente de suma c A [o sea ∑ 𝐜 𝐚𝐤𝐤=𝟏 = cA ]. 2) Si ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es una serie convergente de suma igual a A [ o sea ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 = A] y ∑ 𝐛𝐤𝐤=𝟏 es una serie convergente de suma igual a B [ o sea ∑ 𝐛𝐤𝐤=𝟏 = B], entonces las series ∑ [ 𝐚𝐤 − + 𝐛𝐤] 𝐤=𝟏 es también convergente de suma 𝐀 − + 𝐁 [ o sea ∑ [ 𝐚𝐤 − + 𝐛𝐤] 𝐤=𝟏 = 𝐀 − + 𝐁 ]. 3) Si ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es una serie divergente y “c” es una constante real no nula, entonces la serie ∑ 𝐜 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es también divergente. 4) Si ∑ 𝐚𝐤𝐤=𝟏 es una serie divergente y ∑ 𝐛𝐤𝐤=𝟏 es una serie convergente de suma igual a B [ o sea ∑ 𝐛𝐤𝐤=𝟏 = B] (o viceversa), entonces las series ∑ [ 𝐚𝐤 − + 𝐛𝐤] 𝐤=𝟏 es divergente. 3.6 SERIES PARTICULARES 3.6.1 Serie aritmética i) Definición Sea la sucesión aritmética de primer término “a1” y diferencia “d” conocidos, definida por: an = a1+ (n-1) d La serie infinita de la forma: ∑ [ 𝐚𝐤=𝟏 1 + (k-1) d] = a1+ (a1+d) + (a1+ 2d) + (a1 + 3d) + … es una Serie aritmética. Marisa Angélica Digión 32 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II EJEMPLOS a) Desarrollar la siguiente serie aritmética hasta su quinto término: ∑ [ 1𝑘=1 + (k-1) (-2)]. Solución Entonces: ∑ [ 1k=1 + (k-1) (-2)] = 1 -1- 3- 5- 7 + … b) Determinar la serie aritmética generada por la siguiente sucesión aritmética -5, -3, -1, 1, 3, … . Solución La sucesión dada es una sucesión aritmética ya que la diferencia entre dos términos consecutivos es una constante, o sea: -3- (-5)= -1- (-3) = 1- (-1)= 3-1= 2 (valor constante) Entonces, la sucesión aritmética dada tiene: 1° término: a1= -5 Diferencia: d = 2 Luego, según lo visto en el tema de sucesiones aritméticas, el término general an es: an = a1 + (n-1) d an = -5 + (n-1) 2 siendo la serie aritmética correspondiente la siguiente: ∑ [ −𝟓𝐤=𝟏 + (k-1) (2)] ii) ¿Convergencia de la serie aritmética? Las series aritméticas infinitas ∑ [ 𝐚𝐤=𝟏 1 + (k-1) d] son divergentes. Esta afirmación puede ser justificada utilizando dos argumentos. El primero, haciendo mención a la definición de “convergencia y divergencia de una serie”. Recordando que, para una sucesión aritmética, la suma de los “n” primeros términos está dada por: Sn= (a1+ an).𝑛2 y considerando el límite de la misma para n tendiendo a infinito, obtenemos que: lim𝑛→∞ 𝑆n = limn→∞ (a1+ an).n2 = (no existe el límite) Sn es divergente Marisa AngélicaDigión 33 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II ∑ [ 𝐚𝐤=𝟏 1 + (k-1)d] es divergente El segundo, apelamos al “contra-reciproco de teorema que da la condición necesaria para la convergencia de una serie”. En este caso, y tomando en consideración que el término general an de una sucesión aritmética tiene la siguiente forma: an = a1 + (n-1) d estudiamos el límite este término para “n” tendiendo a infinito, determinando que: limn→∞ an = limn→∞[a1 + (n-1) d]= (no existe dicho límite) ∑ [ 𝐚𝐤=𝟏 1 + (k-1) d] es divergente Finalmente, podemos decir que la serie aritmética es divergente y, por lo tanto, no existe la suma de la misma. No obstante si, en una serie aritmética, delimitamos un número finito de los “n” primeros términos, sí es posible determinar el valor de la suma de los mismos. Dicha suma viene dada por la expresión: Sn= (a1+ an).n2 EJEMPLO Dada la serie aritmética infinita: ∑ [ 1k=1 + (k-1) (-2)] = 1 -1- 3- 5- 7 + … a) Determinar la suma de los primeros 5 términos. b) Determinar la suma de los primeros 100 términos. Solución a) Es posible dar curso a la consigna sumando, simplemente, los cinco términos indicados, o sea: S5=1 -1- 3- 5- 7 = -15 A este mismo resultado se llega si se aplica la fórmula: Sn= (a1+ an).n2 con: a1= 1, a5= -7 y n=5: S5= [1+(−7)].52 = (−6).52 = -15 Marisa Angélica Digión 34 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Solución b) En este caso, no están explicitados los 100 primeros términos de la serie, por lo tanto, no es posible sumarlos como lo hicimos en el caso a). Se debe aplicar: Sn= (a1+ an).n2 con: a1= 1, a100= -197 y n=100: S100= [1+(−197)].1002 = (−196).1002 = -9800 3.6.2 Serie geométrica i) Definición Sea la sucesión geométrica de primer término “a1” y razón “r” conocidos, definida por: an = a1 rn-1 La serie infinita de la forma: ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 = a1+ a1 r+ a1 r2+ a1 r3+ … es una Serie geométrica. EJEMPLOS a) Desarrollar la serie geométrica ∑ 3k=1 (12)k-1 hasta el 5° término; indicar cuál es el 1° término de la misma (a1) y cuál es su razón (r). Solución ∑ 3k=1 (12)k-1 = 3 + 𝟑𝟐 + 𝟑𝟒 + 𝟑𝟖 + 𝟑𝟏𝟔 + … El 1° término es a 1= 3 y la razón es r = 323 = 3432 = 3834 = 31638 = 𝟏𝟐 b) La serie: 1- 2 + 4 – 8 + 16 -32 …, ¿es una serie geométrica? De serlo, escribirla en forma abreviada (usando el símbolo sumatoria). Marisa Angélica Digión 35 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Solución Observemos que: −21 = 4−2 = −84 = 16−8 = −3216 = −2 Lo que indica que la razón entre dos términos consecutivos es constante e igual a -2. Luego, la serie dada es una serie geométrica con 1° término a1 = 1 y razón r= -2, la que puede expresarse como: 1- 2 + 4 – 8 + 16 -32 … = ∑ k=1 1 (−2)k-1 = ∑ 𝐤=𝟏 (−𝟐)k-1 ii) ¿Convergencia de la serie geométrica? Teorema Sea la serie geométrica ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1. Si: a) Sir < 1 (r0) la serie geométrica ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 es convergente y su suma es igual a 𝐚𝟏𝟏−𝐫 , o sea ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 = 𝐚𝟏𝟏−𝐫 . b) Si r > 1 la serie geométrica ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 es divergente. Demostración Para realizar la demostración, utilizaremos la definición de “convergencia y divergencia de una serie”. Al desarrollar el tema de sucesiones geométricas, obtuvimos que la suma de los “n” primeros términos de la misma está dada por: Sn = a1 r−1 (rn − 1) * Si r > 1 y considerando el límite de la suma de los “n” primeros términos de la sucesión Sn , se obtiene: limn→∞ Sn= limn→∞ [ 𝐚𝟏 𝐫−𝟏 (rn − 1)] = 𝐚𝟏 𝐫−𝟏 limn→∞(rn − 1) = si [n → y r > 1] rn → limn→∞(rn − 1) = factor constante Luego si: Marisa Angélica Digión 36 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II limn→∞ Sn= Sn es divergente ∑ 𝐚𝟏𝒌=𝟏 rk-1 es divergente para r > 1 * Si r < 1, considerando nuevamente el límite de la suma de los “n” primeros términos de la sucesión se tiene: limn→∞ Sn= limn→∞ [ 𝐚𝟏 𝐫−𝟏 (rn − 1)] = 𝐚𝟏 𝐫−𝟏 limn→∞(rn − 1) = 𝐚𝟏 𝐫−𝟏 (−1) = 𝐚𝟏 𝟏−𝐫 si [n → y r < 1] rn → 0 limn→∞(rn − 1) = − 1 factor constante Luego si: limn→∞ Sn= 𝐚𝟏 𝟏−𝐫 Sn es convergente ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 es convergente y su suma es igual a 𝐚𝟏 𝟏−𝐫 , o sea, ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1 = 𝐚𝟏 𝟏−𝐫 para r < 1 Así, queda demostrado el Teorema. EJEMPLOS Retomemos las series geométricas dadas en el ejemplo anterior y estudiemos su situación de convergencia. a) La serie geométrica: ∑ 3k=1 (12)k-1 = 3 + 32 + 34 + 38 + 316 + … tiene: a1 = 3 y r = 12 ; luego r= 12 < 1 (o bien: -1 < r = 12 < 1); entonces la serie geométrica dada es convergente y su suma es 𝐚𝟏 𝟏−𝒓 = 𝟑𝟏−𝟏𝟐 = 6. Finalmente: ∑ 𝟑𝐤=𝟏 (𝟏𝟐)k-1 = 3 + 𝟑𝟐 + 𝟑𝟒 + 𝟑𝟖 + 𝟑𝟏𝟔 + …= 6 b) La serie geométrica: ∑ 𝐤=𝟏 (−𝟐)k-1 = 1- 2 + 4 – 8 + 16 -32 … tiene: a1 = 1 y r = -2 ; luego r= -2= 2 > 1 ; entonces la serie geométrica dada es divergente. Finalmente: ∑ 𝒌=𝟏 (−𝟐)k-1 = 1- 2 + 4 – 8 + 16 -32 … es divergente Marisa Angélica Digión 37 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II Nota Hemos definido a la serie geométrica de la forma: ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1. Sin embargo, existen otras posibles versiones de la misma; por ejemplo: ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝐨 rk ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟐 rk-2 ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟑 rk-3 ... ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟖 rk-8 …. La diferencia entre ellas es el valor inicial de “k”; luego esto repercute en el exponente de la razón. Todas estas formas son válidas y se trabajan algebraicamente de la misma manera que lo estudiado para: ∑ 𝐚𝟏𝐤=𝟏 rk-1. Marisa Angélica Digión 38 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II 4. APLICACIONES 1. Considere la siguiente sucesión: 250, 248, 246, 244, …, 202 La diferencia entre dos términos consecutivos es: 248- 250= 246- 248= 244- 246= -2 (constante) Luego, la sucesión dada es una sucesión aritmética con primer elemento a1 = 250 y diferencia d=-2, cuyo término general es: an = 250 + (n-1) (-2) quedando la sucesión aritmética que definida por: 250 + (n-1) (-2) Esta sucesión aritmética, tratada desde el punto de vista matemático, es el resultado de considerar una situación planteada en el ámbito del Cálculo Financiero, relacionada con el tema de “Interés Simple”. El siguiente es su enunciado. El Sr. Artero, agricultor de la zona tabacalera jujeña, pide a un banco del medio la cantidad de 5000 dólares conociendo que, el interés mensual simple aplicable a su devolución, es del 1%. Él está de acuerdo en pagar al banco 200 dólares al capital cada mes, más el interés correspondiente al saldo de lo adeudado. Así, el primer mes (n=1), pagará: 200 + 1% de 5000 = 200 + 50 = 250 dólares El segundo mes (n=2), pagará: 200 + 1% de (5000-200)= 200 + 1% de 4800= 200+ 48= 248 dólares El tercer mes (n=3), pagará: 200 + 1% de (4800-200)= 200 + 1% de 4600= 200+ 46= 246 dólares El cuarto mes (n=4), pagará: 200 + 1% de (4600-200)= 200 + 1% de 4400= 200+ 44= 244 dólares y así sucesivamente hasta el mes 25 [= 5000/200] (n=25), donde pagará: 200 + 1 % de (400-200)= 200 + 1 % de 200 = 200 + 2= 202 dólares 4. APLICACIONES Marisa Angélica Digión 39 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas MatemáticaII Si observamos el monto de los pagos realizados, son los términos de la sucesión aritmética dada. Corroboremos esto, aplicando la fórmula del término general de una sucesión aritmética: an = a1 + (n-1) d con: a1= 250 y d= -2 an = 250 + (n-1) (-2) para n= 1 a1 = 250 + (1-1) (-2) =250 para n= 2 a2 = 250 + (2-1) (-2) = 250 -2= 248 para n= 3 a3 = 250 + (3-1) (-2) = 250 -4= 246 para n= 4 a4 = 250 + (4-1) (-2) = 250 -6= 244 … para n= 25 a25 = 250 + (25-1) (-2) = 250 -48= 202 Si nos preguntamos, ¿cuánto pagó en total el Sr. Artero por el préstamo solicitado?, la respuesta llevaría a sumar todas las cuotas que abonó: 250+ 248 + 246+ 244+ … + 202 o bien aplicar la fórmula que da la suma de los “n” términos de una sucesión aritmética: Sn= (𝐚𝟏+ 𝐚𝐧).𝐧𝟐 con a1= 250; a25= 202 y n=25 S25= (𝟐𝟓𝟎+ 𝟐𝟎𝟐).𝟐𝟓𝟐 = 5650 dólares O sea que pagó el capital que le fue prestado de 5000 dólares, más 650 dólares de intereses. 2. Considere la siguiente sucesión: 1100; 1210; 1331; 1464,1; 1610,51… La razón entre dos términos consecutivos es: 12101100 = 13311210 = 1464,1 1331 = 1610,511464,1 = 1,1 (constante) Luego, la sucesión dada es una sucesión geométrica con primer elemento a1= 1000 y razón r= 1,1 cuyo término general es: an = 1100 (1,1)n-1 quedando la sucesión geométrica que definida por: Marisa Angélica Digión 40 Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ciencias Económicas Matemática II 1100 (1,1)n-1 Esta sucesión geométrica, tratada desde el punto de vista matemático, es otra de las situaciones de interés en el ámbito del Cálculo Financiero, específicamente, relacionada con el tema de “Interés Compuesto”. El siguiente es su enunciado. Resultado del ahorro familiar, el jefe de familia realiza un plazo fijo en un banco local por la suma de 1000 dólares. El banco le ofrece pagar una tasa de interés del 10% capitalizable anualmente. El valor de esta inversión al cabo de un año (n=1) es de: 1000 + 10% de 1000 = 1000 + 100 = 1100 dólares Al cabo del segundo año (n=2), el valor de la inversión es: 1100 + 10% de 1100 = 1100 + 110 = 1210 dólares Al cabo del tercer año (n=3), el valor de la inversión es: 1210 + 10% de 1210 = 1210 + 121 = 1331 dólares Al cabo del cuarto año (n=4), el valor de la inversión es: 1331 + 10% de 1331 = 1331 + 133,1 = 1464,1 dólares Al cabo del quinto año (n=5) , el valor de la inversión es: 1464,1 + 10% de 1464,1 = 1464,1 + 146,41 = 1610,51 dólares Los valores obtenidos al final al cabo de cada año, son los términos de la sucesión geométrica dada. Corroboremos esto, aplicando la fórmula del término general de una sucesión geométrica: an = a1 r n-1 con: a1= 1100 y r= 1,1 an = 1100 (1,1)n-1 para n= 1 (al cabo del primer año) a1 = 1100 (1,1)1-1= 1100 dólares para n= 2 (al cabo del segundo año) a2 = 1100 (1,1)2-1= 1210 dólares para n= 3 (al cabo del tercer año) a3 = 1100 (1,1)3-1= 1331 dólares para n= 4 (al cabo del cuarto año) a4 = 1100 (1,1)4-1= 1464,1 dólares para n= 5 (al cabo del quinto año) a5 = 1100 (1,1)5-1= 1610,51 dólares Si nos preguntamos, ¿cuánto dinero ganó al cabo de 5? La respuesta es de 610,51 dólares.
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