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Tema 3 - Series de números reales

Introducción

Una serie es una “suma infinita” de términos de una sucesión. Formalmente, una serie se escribe como:

n=1an=a1+a2+a3+\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + a_3 + \dots

Por ejemplo:

n=1(12)n=12+14+18+=1\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \dots = 1

Para estudiar rigurosamente el comportamiento de una serie, se define la sucesión de sumas parciales:

sn=k=1nak=a1+a2++ans_n = \sum_{k=1}^n a_k = a_1 + a_2 + \dots + a_n

La convergencia de la serie se basa en la convergencia de esta sucesión.

Definición

Una serie an\sum a_n es convergente si la sucesión de sumas parciales {sn}\{s_n\} es convergente. Su límite se llama la suma de la serie:

n=1an=limnsn\sum_{n=1}^\infty a_n = \lim_{n \to \infty} s_n

Si {sn}±\{s_n\} \to \pm \infty, la serie es divergente.

Propiedades

  1. Si se eliminan un número finito de términos, el carácter (convergencia/divergencia) de la serie no cambia.
  2. Si an\sum a_n converge, entonces: limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0 (La condición necesaria de convergencia).

Nota: El recíproco no es cierto en general. Por ejemplo, la serie armónica 1n\sum \frac{1}{n} cumple que limn1n=0\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0, pero es divergente.


Suma de algunos tipos especiales de series

Series geométricas

Una serie geométrica tiene la forma:

n=1rn,  r<1\sum_{n=1}^\infty r^n, \; |r| < 1

La sucesión de sumas parciales es:

sn=r+r2++rn=r(1rn)1r,  r<1s_n = r + r^2 + \dots + r^n = \frac{r(1 - r^n)}{1 - r}, \; |r| < 1

Tomando el límite cuando nn \to \infty:

n=1rn=r1r,  r<1\sum_{n=1}^\infty r^n = \frac{r}{1 - r}, \; |r| < 1

Ejemplo

Calcular la fracción irreducible correspondiente al número decimal periódico 0.90.\overline{9}:

0.9=n=1910n=910+9100+=91110=10.\overline{9} = \sum_{n=1}^\infty \frac{9}{10^n} = \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \dots = \frac{9}{1 - \frac{1}{10}} = 1

Series de términos positivos

Definición

Una serie an\sum a_n es de términos positivos si an0,  nNa_n \geq 0, \; \forall n \in \mathbb{N}. Estas series tienen propiedades especiales:

  1. Si an\sum a_n converge, su sucesión de sumas parciales {sn}\{s_n\} está acotada.
  2. Si {sn}\{s_n\} es creciente y no está acotada, entonces an\sum a_n diverge hacia ++\infty.

Criterios de convergencia

  1. Criterio de comparación: Sean an\sum a_n y bn\sum b_n series de términos positivos. Si existe n0Nn_0 \in \mathbb{N} tal que:

    0anbn,  nn00 \leq a_n \leq b_n, \; \forall n \geq n_0

    Entonces:

    • Si bn\sum b_n converge, también lo hace an\sum a_n.
    • Si an\sum a_n diverge, también lo hace bn\sum b_n.
  2. Criterio del cociente: Sea an\sum a_n una serie de términos positivos. Si:

    limnan+1an=L\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = L

    Entonces:

    • Si L<1L < 1, la serie converge.
    • Si L>1L > 1, la serie diverge.
    • Si L=1L = 1, el criterio no decide.
  3. Criterio de la raíz: Sea an\sum a_n una serie de términos positivos. Si:

    limnann=L\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = L

    Entonces:

    • Si L<1L < 1, la serie converge.
    • Si L>1L > 1, la serie diverge.
    • Si L=1L = 1, el criterio no decide.