\documentclass{article} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage{mathtools} \usepackage{amssymb} \usepackage{centernot} % New symbols \let\oldsqrt\sqrt \def\sqrt{\mathpalette\DHLhksqrt} \def\DHLhksqrt#1#2{% \setbox0=\hbox{$#1\oldsqrt{#2\,}$}\dimen0=\ht0 \advance\dimen0-0.2\ht0 \setbox2=\hbox{\vrule height\ht0 depth -\dimen0} {\box0\lower0.4pt\box2}} % End new symbols \begin{document} \section{Le Serie} \[\sum^{\infty}_{n=0}a_n\] Se \(\sum^{\infty}_{n=0}a_n = L\), la serie è \textbf{convergente}; se \(\sum^{\infty}_{n=0}a_n = \infty\), la serie è \textbf{divergente}. \subsection{Condizione necessaria} \[\sum^{\infty}_{n=0}a_n < +\infty \quad \implies \quad a_n \to 0\] \[a_n \not\to 0 \quad \implies \quad \sum^{\infty}_{n=0}a_n non convergente\] \subsection{Serie a termini non negativi definitivamente} \[\sum^{\infty}_{n=0}a_n \qquad a_n \geq 0\] Se la successione delle somme parziali è \textit{definitivamente} monotona, allora \textbf{ha limite}, e quindi \textbf{esiste}, convergendo o divergendo.\\ Possiamo applicare dei particolari criteri per capirlo. \subsection{Criteri} \subsubsection{Criterio del confronto} Siano \(\{a_n\}\) e \(\{b_n\}\) due successioni a termini reali \textit{non negativi}, tali che \textit{definitivamente} \(a_n \leq b_n\).\\ Allora... \[\sum^{\infty}_{n=0} b_n < +\infty \implies \sum a_n < +\infty\] \[\sum^{\infty}_{n=0} a_n = +\infty \implies \sum b_n = +\infty\] Si usa principalmente quando la serie converge ma non è dimostrabile convenzionalmente. \subsubsection{Criterio del confronto asintotico} Siano \(\{a_n\}\) e \(\{b_n\}\) due successioni a termini reali \textit{positivi}, tali che \(a_n \sim b_n\).\\ Allora \(\sum a_n\) e \(\sum b_n\) hanno lo stesso carattere (entrambe convergono, entrambe divergono, etc).\\ \\ Solitamente si applica per i limiti notevoli. \subsubsection{Criterio del rapporto} \[\lim_{n \to +\infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \begin{cases} L < 1 \quad \implies \quad \sum a_n \neq \infty\\ L > 1 \quad \implies \quad \sum a_n = \infty\\ L = 1 \quad \implies \quad unknown \end{cases}\] \subsubsection{Criterio della radice} Sia \(\{a_n\}_{n \in \mathbb{N}^+}\).\\ Supponiamo che \(\lim_{n \to +\infty} \sqrt{a_n}^n = L\). Allora... \[\begin{cases} L < 1 \quad \implies \quad \sum a_n convergente\\ L > 1 \quad \implies \quad \sum a_n divergente\\ L = 1 \quad \quad unknown \end{cases}\] \subsection{Serie a termini qualunque} \subsubsection{Criterio di Leibniz} \[\sum^{\infty}_{n=0} (-1)^n a_n\] Se: \[\begin{cases} a_n \geq 0 a_n \geq a_{n+1} a_n \to 0 \end{cases}\] \subsubsection{Criterio di convergenza assoluta} Se: \[\sum^{\infty}_{n=0} |a_n| = \infty\] Allora: \[\sum^{\infty}_{n=0} a_n = \infty\] \subsection{Dimostrazione dei criteri} \subsubsection{Criterio del confronto} \[S_n = \sum^n_{k=1} a_k\] \[S_n^* = \sum^n_{k=1} b_k\] \subsubsection{Criterio del confronto asintotico} \[\lim_{n \to +\infty} \frac{a_n}{b_n} = 1\] Usiamo la definizione di limite: \[\forall \epsilon > 0 \exists n' : \forall n \geq n', 1 - \epsilon \leq \frac{a_n}{b_n} \leq 1 + \epsilon\] \[b_n * (1 - \epsilon) \leq \frac{a_n}{b_n} \leq b_n * (1 + \epsilon)\] Ho ora un'espressione a cui è applicabile il criterio del confronto. Per la proprietà di monotonia: \[0 \leq a_k \leq b_k \quad \implies \quad 0 \leq S_n \leq S_n^*\] \subsubsection{Criterio della radice} \[\forall \epsilon > 0, \exists n' : \forall n \geq n', L - \frac{\epsilon}{2} \leq \sqrt{a_n}^n \leq L + \frac{\epsilon}{2}\] Per il funzionamento stesso della radice: \[L < 1 \implies \exists \epsilon > 0 : L + \epsilon < 1; L < 1 - \epsilon\] Dunque... \[\sqrt{a_n}^n \leq 1 - \epsilon + \frac{\epsilon}{2} = 1 - \frac{\epsilon}{2}\] Ho finalmente raggiunto un punto in cui posso usare il criterio del confronto: \[\sum a_n \leq \sum (1 - \frac{\epsilon}{2})^2\] \section{Tipi di esercizi} Gli esercizi con le serie principalmente sono di tre tipi: calcolare la somma (il valore) di una serie, studiare la convergenza di una serie e studiare la convergenza di una serie che varia in base a un parametro.\\ \subsection{Serie geometriche} \[\sum^{\infty}_{n=0}q^n\qquad se |q| < 1 \quad = \frac{1}{1-q}\] \subsubsection{Esempio serie geometrica} Calcolare \(\sum^{\infty}_{n=0}\frac{1}{2^n}\).\\ \subsection{Serie armonica generalizzata} \[\sum^{\infty}_{n=0} \frac{1}{n^\alpha} \quad \begin{cases} \neq \infty \quad se \quad \alpha > 1\\ = \infty \quad se \quad \alpha \leq 1 \end{cases} \] \paragraph{Svolgimento} E' una serie geometrica di ragione \(\frac{1}{2}\), quindi la somma vale \(\frac{1}{1-\frac{1}{2}} = 2\). \subsubsection{Serie geometrica nascosta} Calcolare \(\sum^{\infty}_{n=0}\frac{2^{n-1}}{3^n}\).\\ \paragraph{Svolgimento} C'è una serie geometrica nascosta: è possibile convertire la somma in \(\frac{1}{2} \sum^{\infty}_{n=0}(\frac{2}{3})^n\), che è una serie geometrica di ragione \(\frac{2}{3}\).\\ Dunque, la somma vale \(\frac{1}{1-\frac{2}{3}} = \frac{3}{2}\). \subsubsection{Serie geometrica con inizio spostato} Calcolare \(\sum^{\infty}_{n=1}(\log(3) - 1)^n\). \paragraph{Svolgimento} Verifichiamo che la ragione sia effettivamente \(< 1\): \(log(3) - 1 < 1\) è vero.\\ Si converte la serie in \(\sum^{\infty}_{n=0}((\log(3) - 1)^n) - 1\).\\ E' diventata una serie geometrica di ragione \(\log(3) - 1\) a cui dovrà essere sottratto 1 dal risultato finale. \subsection{Condizione necessaria} Studia la convergenza di \(\sum^{\infty}_{n=1}(1 + \frac{1}{n!})^n\). \paragraph{Svolgimento} \[\sum^{\infty}_{n=1} (e^{n log(1 + \frac{1}{n!})})\] \[\sum^{\infty}_{n=1} (e^{n \frac{1}{n!})})\] \[e^{n \frac{1}{n!}} \to 1\] Dato che l'argomento delle serie non è infinitesimo, allora possiamo dire che la serie non converge. \subsection{Dipendenti da parametro} Calcolare per quali valori di x la serie seguente converge. \[\sum^{\infty}_{n=1} (\frac{x-2}{4})^n\] \paragraph{Svolgimento} Riconosciamo che è una serie geometrica, e sappiamo che converge se la sua ragione è \(|r| < 1\).\\ Calcoliamo per quali valori è presente quella ragione: \[| \frac{x-2}{4} | < 1\] \[-1 < \frac{x-2}{4} | < 1\] \[-2 < x < 6\] \subsection{Criterio del confronto difficile} \[\sum^{\infty}_{n=1} \frac{\log^2 n}{n \sqrt{n}}\] \[\lim_{n \to +\infty} \frac{\log^2 n}{n \sqrt{n}} = 0\] Non concludo nulla da questo limite; devo usare un criterio. \[\sum^{\infty}_{n=1} \frac{\log^2 n}{n \sqrt{n}}\] \[\sum^{\infty}_{n=1} \frac{\log^2 n}{n^{\frac{3}{2}}}\] \[\lim_{n \to \infty} \frac{log n}{n^\alpha} = 0\] \[\log n \leq n^\alpha\] \[\log n \leq n^\frac{1}{8}\] \[\log^2 n \leq n^\frac{1}{4}\] \[\frac{log^2 n}{n \sqrt{n}} \leq \frac{n^\frac{1}{4}}{n \sqrt{n}} = \frac{1}{n^{\frac{5}{4}}}\] Applichiamo poi il teorema di confronto. [TBD] \subsection{Criterio di confronto asintotico difficile} Determinare per quali valori di \(\alpha > 0\) la serie converge. \[\sum^\infty_{n=1} \frac{1 + e^{-n}}{\sqrt{n^\alpha} + log n}\] Non posso usare la condizione necessaria, perchè \(a_n \to 0\).\\ Applico il criterio del confronto asintotico. \[a_n \sim \frac{1}{n^\frac{\alpha}{2}}\] E' una serie armonica generalizzata.\\ Per \(\alpha > 2\), la serie converge, mentre per \(\alpha \leq 2\) la serie diverge. \subsection{Criterio della radice} \[\sum_{n=1}^\infty \frac{e^{n^2}}{n^{2n}}\] \[\sqrt{a_n}^n = (\frac{e^{n^2}}{n^{2n}}^{\frac{1}{n}}\] \[= \frac{e^n}{n^2} \to +\infty\] \subsection{Criterio del rapporto} \[\sum^\infty_{n=1} \frac{e^{n^2}}{n^{2n}}\] \[\frac{a_{n+1}}{a_n} \to L\] \[\frac{e^{(n+1)^2}}{(n+1)^{2(n+1)}} * \frac{n^{2n}}{e^{n^2}}\] \[\frac{e^{2n+1}}{(n+1)^2} * (\frac{n}{n+1})^2n\] \[\frac{e^{2n+1}}{(n+1)^2} * (\frac{1}{1+\frac{1}{n})^2n}\] \[\lim_{n \to \infty} \frac{e^{2n+1}}{(n+1)^2} * (\frac{1}{1+\frac{1}{n})^2n}\] \[+\infty * \frac{1}{e} = +\infty\] \(+\infty > 1\), dunque la serie diverge. \end{document}