O que é uma série de potências?
(a) O que é o raio de convergência de uma série de potências? Como você o encontra?
(b) O que é o intervalo de convergência de uma série de potências? Como você o encontra?
Passo 1
O enunciado pede três coisas claras:
Definir o que é uma série de potências (descrição geral e componentes que aparecem no enunciado).
(a) Explicar o que é o raio de convergência de uma série de potências e como encontrá‑lo.
(b) Explicar o que é o intervalo de convergência de uma série de potências e como encontrá‑lo.
Informações que o enunciado dá (implícitas na pergunta):
Uma série de potências tem a forma geral \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} a_n (x-c)^n, onde a_n são os coeficientes, c é o centro (um número real) e x é a variável.
Precisamos dizer o significado de “raio de convergência” e “intervalo de convergência” e mostrar métodos para encontrá‑los.
Passo 2
O que é uma série de potências — explicação didática e simples.
Pense numa série de potências como um polinômio infinito: em vez de parar num grau N, você soma todos os graus a partir de 0 até o infinito.
A forma geral é
\sum_{n=0}^{\infty} a_n (x-c)^n,
onde
a_n são números (coeficientes) que determinam a série;
c é o centro da série (a série está “expansão ao redor de” x=c);
x é a variável. Para cada x fixo, a série vira uma série numérica \sum a_n (x-c)^n.
A série pode convergir para alguns valores de x, divergir para outros. O conjunto desses x onde converge é o que vamos caracterizar com raio e intervalo de convergência.
Passo 3
Definição do raio de convergência — conceito e formulação precisa.
Definição intuitiva: o raio de convergência R é um número não negativo que descreve até que distância do centro c a série converge. Para todos os x com |x-c|<R a série converge; para todos os x com |x-c|>R a série diverge. No caso |x-c|=R a convergência pode ou não ocorrer (cada caso precisa ser testado).
Casos extremos:
Se R=0 a série converge apenas em x=c.
Se R=\infty a série converge para todo x\in\mathbb{R}.
Passo 4
Como encontrar o raio de convergência — métodos práticos e a fórmula do \limsup.
Método via teste da raiz (mais direto e geral):
Aplique o teste da raiz à série numérica termo a termo. Para a série \sum a_n (x-c)^n considere os n-ésimos radicais:
Use o conceito de limite superior (\limsup). Defina
L := \limsup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}.
O teste da raiz diz que a série converge se
\limsup_{n\to\infty} \sqrt[n]{\left|a_n (x-c)^n\right|} = L|x-c| < 1e diverge se L|x-c|>1. Portanto o raio R éR = \frac{1}{L} = \frac{1}{\displaystyle\limsup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}},com as convenções 1/0=\infty e 1/\infty=0.
Método via teste da razão (quando função dos coeficientes é simples):
Se o limite
\lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|existe e é igual a L', então podemos usar o teste da razão e obterR = \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right| = \frac{1}{L'}.
Esse método é muitas vezes mais fácil quando os a_n têm fórmulas simples (ex.: a_n = 1/n!, a_n = n!, a_n = 1/n, etc.).
Passo 5
Exemplos práticos para fixar como encontrar R.
Exemplo 1: série geométrica centrada em 0:
\sum_{n=0}^{\infty} x^n.
Aqui a_n=1. Calculamos \sqrt[n]{|a_n|}=1 para todo n, então L=1 e
R = \frac{1}{1}=1.
Conclusão: converge para |x|<1 e diverge para |x|>1. O caso |x|=1 precisa ser testado separadamente (no caso x=1 a soma é divergente, no caso x=-1 também diverge).
Exemplo 2: \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}.
Usamos teste da razão:
Então R = 1/0 = \infty. A série converge para todo x\in\mathbb{R}.
Passo 6
O que é o intervalo de convergência e como encontrá‑lo — procedimento completo e exemplos de testes de extremidade.
Definição: o intervalo de convergência (para séries de potências reais, centro c) é o conjunto de x\in\mathbb{R} onde a série converge. Na prática ele sempre tem a forma
(c-R,\;c+R)
ou pode incluir um ou ambos os extremos c\pm R. Então o intervalo de convergência é (c-R,c+R), [c-R,c+R), (c-R,c+R] ou [c-R,c+R], dependendo do comportamento nos endpoints.
Procedimento prático para encontrar o intervalo:
Calcule R por um dos métodos do Passo 4 (raiz/razão/\limsup).
Conclua que há convergência para todo x com |x-c|<R e divergência para |x-c|>R.
Teste os pontos x=c+R e x=c-R separadamente substituindo-os na série:
Substitua x=c+R e examine a série resultante (ela vira \sum a_n R^n com sinais possivelmente negativos dependendo do R).
Substitua x=c-R e examine a série resultante (ela vira \sum a_n (-R)^n ou \sum a_n R^n dependendo do sinal).
Para cada endpoint use testes apropriados: teste da comparação, teste da razão (se aplicável), teste da raiz, teste de Leibniz para séries alternadas, teste da integral, ou reconheça uma p-série ou série harmônica conhecida.
Exemplos de comportamento nos extremos:
Série geométrica \sum x^n (centro 0, R=1): nos extremos x=1 e x=-1 ambas divergem.
Série \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n} (centro 0, R=1): em x=1 temos \sum 1/n que diverge; em x=-1 temos \sum (-1)^n / n que converge (é a série alternada harmônica), logo o intervalo de convergência é [-1,1) mas com inclusão só em x=-1.
Série \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n^2} (centro 0, R=1): nos extremos temos séries \sum 1/n^2 e \sum (-1)^n / n^2, ambas convergem (a primeira absolutamente), logo o intervalo é [-1,1].
Passo 7
Resumo prático em forma de algoritmo para usar na prova (passo a passo curto)
Escreva a série na forma \sum a_n (x-c)^n.
Calcule L=\limsup_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|}. Se for mais simples, calcule \lim |a_{n+1}/a_n| quando existir.
Se ficar inseguro num endpoint, aplique o teste de Leibniz (para alternantes) e comparação com p‑séries para séries positivas.
Resposta
(a) O raio de convergência R é o número não negativo tal que a série \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} a_n (x-c)^n converge para todos os x com |x-c|<R e diverge para todos os x com |x-c|>R. Calcula‑se por exemplo usando
(b) O intervalo de convergência é o conjunto de x\in\mathbb{R} onde a série converge; para séries centradas em c ele tem a forma (c-R,c+R) possivelmente com inclusão de um ou ambos os extremos c\pm R. Para determiná‑lo: encontre R (como em (a)), conclua convergência para |x-c|<R e divergência para |x-c|>R, e teste separadamente as duas extremidades x=c\pm R usando testes de séries numéricas (Leibniz, comparação, p‑série, etc.).