Series de potencias: radio e intervalo de convergencia, con ejemplos
Halla el radio y el intervalo de convergencia de una serie de potencias con el criterio del cociente, revisa los extremos y sigue cinco ejemplos resueltos.
Por el equipo de PracticeCalculus Publicado 8 min de lectura
En esta página
- ¿Qué es una serie de potencias?
- Radio de convergencia: las tres posibilidades
- Cómo hallar el radio de convergencia con el criterio del cociente
- Por qué los extremos necesitan una revisión aparte
- Ejemplo resuelto 1: extremos que no coinciden
- Ejemplo resuelto 2: una serie que no está centrada en 0
- Ejemplo resuelto 3: los dos extremos divergen
- Ejemplo resuelto 4: radio infinito y radio cero
- Ejemplo resuelto 5: un coeficiente en la x
- Errores comunes con las series de potencias
- Referencia rápida: radio e intervalo de convergencia
- Practica hasta que los pasos sean automáticos
Ya sabes decidir si una serie de números converge. Una serie de potencias le agrega un giro: tiene una x en cada término, así que converge para algunos valores de x y diverge para otros. Tu trabajo es encontrar exactamente cuáles, y el criterio del cociente hace casi todo el trabajo.
Esta guía te muestra cómo hallar el radio y el intervalo de convergencia paso a paso, por qué los extremos requieren cuidado extra, y cinco ejemplos resueltos que cubren todos los casos que te encontrarás en un examen.
¿Qué es una serie de potencias?
Una serie de potencias centrada en a es una suma infinita de potencias de (x - a), cada una con su propio coeficiente:
Piénsala como un polinomio que nunca termina. Para cada número que sustituyes en x, obtienes una serie numérica ordinaria, que converge o diverge.
El ejemplo más famoso es la serie geométrica
Funciona perfectamente dentro de (-1, 1) y falla en todos los demás puntos. Ese patrón, un intervalo limpio alrededor del centro, se cumple en toda serie de potencias.
Radio de convergencia: las tres posibilidades
Para toda serie de potencias centrada en a, se cumple exactamente una de estas opciones:
- Converge solo en x = a. El radio es R = 0.
- Converge para todo x. El radio es R = \infty.
- Existe un número R > 0 tal que converge cuando |x - a| < R y diverge cuando |x - a| > R.
El número R es el radio de convergencia. El intervalo de convergencia es el conjunto de todos los x donde la serie converge. En el caso 3 es el intervalo de a - R a a + R, más los extremos que resulten funcionar.
Cómo hallar el radio de convergencia con el criterio del cociente
El criterio del cociente dice que una serie \sum b_n converge absolutamente si \lim_{n\to\infty} \left|\frac{b_{n+1}}{b_n}\right| < 1 y diverge si ese límite es mayor que 1. Aplícalo a los términos b_n = c_n (x-a)^n:
Luego plantea L < 1 y despeja |x - a|. La receta:
- Escribe el cociente \left|\frac{b_{n+1}}{b_n}\right| y simplifícalo. Las potencias de (x - a) se cancelan hasta quedar un solo |x - a|.
- Calcula el límite cuando n \to \infty. La x se queda quieta porque no depende de n.
- Resuelve L < 1. Obtienes |x - a| < R.
- Revisa los dos extremos x = a - R y x = a + R sustituyéndolos.
Por qué los extremos necesitan una revisión aparte
En x = a \pm R el límite del criterio del cociente vale exactamente 1, y un límite de 1 no te dice nada. La serie podría converger o diverger, y los dos extremos no tienen por qué coincidir. Así que en cada extremo sustituyes el número en la serie y usas otro criterio: el de las series p, el de las series alternadas, el del término n-ésimo o uno de comparación. Si necesitas repasarlos, consulta nuestra guía de criterios de convergencia.
Consejo: nunca te saltes los extremos. Una respuesta de (-1, 1) cuando lo correcto es [-1, 1) se califica como incorrecta, aunque el radio esté bien.
Ejemplo resuelto 1: extremos que no coinciden
Encuentra el intervalo de convergencia de \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n}.
Paso 1. Plantea el cociente.
Paso 2. Calcula el límite. Como \frac{n}{n+1} \to 1, obtenemos L = |x|.
Paso 3. Resuelve L < 1. La serie converge para |x| < 1, así que R = 1.
Paso 4. Revisa los extremos.
- En x = 1 la serie es \sum \frac{1}{n}, la serie armónica, que diverge.
- En x = -1 la serie es \sum \frac{(-1)^n}{n}, la serie armónica alternada, que converge por el criterio de las series alternadas.
El intervalo de convergencia es [-1, 1).
Ejemplo resuelto 2: una serie que no está centrada en 0
Encuentra el intervalo de convergencia de \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(x-3)^n}{n^2\, 2^n}.
Paso 1. Plantea el cociente.
Paso 2. Calcula el límite. La fracción \frac{n^2}{(n+1)^2} tiende a 1, así que L = \frac{|x-3|}{2}.
Paso 3. Resuelve L < 1. Necesitamos |x - 3| < 2, así que R = 2 y el intervalo abierto es 1 < x < 5.
Paso 4. Revisa los extremos.
- En x = 5: (x-3)^n = 2^n, y la serie se convierte en \sum \frac{2^n}{n^2\, 2^n} = \sum \frac{1}{n^2}, una serie p con p = 2. Converge.
- En x = 1: (x-3)^n = (-2)^n, y la serie se convierte en \sum \frac{(-1)^n}{n^2}. Converge absolutamente, porque \sum \frac{1}{n^2} converge.
El intervalo de convergencia es [1, 5]. Observa que el centro es 3 y el intervalo se extiende 2 unidades hacia cada lado.
Ejemplo resuelto 3: los dos extremos divergen
Encuentra el intervalo de convergencia de \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n\,(x+1)^n}{4^n}.
Paso 1. Plantea el cociente.
Paso 2. Calcula el límite. L = \frac{|x+1|}{4}.
Paso 3. Resuelve L < 1. |x + 1| < 4, así que R = 4 y el centro es a = -1. Eso da -5 < x < 3.
Paso 4. Revisa los extremos.
- En x = 3: la serie es \sum \frac{n \cdot 4^n}{4^n} = \sum n. Los términos crecen, así que diverge por el criterio del término n-ésimo.
- En x = -5: la serie es \sum n(-1)^n. Los términos no tienden a 0, así que también diverge.
El intervalo de convergencia es (-5, 3).
Cuidado con el centro. En (x + 1)^n el centro es a = -1, no 1. Reescríbelo como (x - (-1))^n si te ayuda.
Ejemplo resuelto 4: radio infinito y radio cero
Los factoriales llevan el radio a uno de los dos extremos.
Serie A: \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}.
El límite es 0 para todo x, y siempre 0 < 1. Así que R = \infty y el intervalo es (-\infty, \infty). No hay extremos que revisar. (Esta serie es igual a e^x, como verás en nuestra guía de series de Taylor.)
Serie B: \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} n!\, x^n.
Si x \ne 0, esto crece sin límite, así que la serie diverge. Solo converge en el centro. Así que R = 0 y el "intervalo" es el punto único \{0\}.
Ejemplo resuelto 5: un coeficiente en la x
Encuentra el radio de convergencia de \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(2x-1)^n}{5^n}.
Paso 1. Plantea el cociente. El cociente de términos consecutivos es \frac{|2x - 1|}{5}, sin ninguna n, así que L = \frac{|2x-1|}{5}.
Paso 2. Resuelve L < 1. |2x - 1| < 5. Saca el 2 como factor para llevarlo a la forma |x - a| < R:
Así que el centro es a = \frac{1}{2} y el radio es R = \frac{5}{2}, no 5. El intervalo abierto es -2 < x < 3.
Paso 3. Revisa los extremos. En x = 3 la serie es \sum 1^n, y en x = -2 es \sum (-1)^n. En ninguna de las dos los términos tienden a 0, así que ambas divergen. El intervalo es (-2, 3).
Errores comunes con las series de potencias
- Olvidar los extremos. Es el punto que más se pierde. El criterio del cociente nunca los decide.
- Leer mal el centro. (x + 2)^n está centrada en -2, y (3x - 6)^n está centrada en 2.
- No sacar como factor el coeficiente de x. De |2x - 1| < 5 el radio es \frac{5}{2}. Reescribe siempre primero como |x - a| < R.
- Quitar el valor absoluto. El criterio del cociente usa |x - a|. Sin él pierdes la mitad izquierda del intervalo.
- Dejar que x "tienda a infinito" junto con n. En el límite, x es un número fijo. Solo cambia n.
- Usar el resultado del criterio del cociente en un extremo. En un extremo necesitas otro criterio, aplicado a la serie con el número ya sustituido.
Referencia rápida: radio e intervalo de convergencia
| Serie | Límite del criterio del cociente L | Radio R | Intervalo |
|---|---|---|---|
| \sum x^n | \lvert x \rvert | 1 | (-1, 1) |
| \sum \frac{x^n}{n} | \lvert x \rvert | 1 | [-1, 1) |
| \sum \frac{x^n}{n^2} | \lvert x \rvert | 1 | [-1, 1] |
| \sum \frac{(x-3)^n}{n^2\, 2^n} | \frac{\lvert x-3 \rvert}{2} | 2 | [1, 5] |
| \sum \frac{x^n}{n!} | 0 | \infty | (-\infty, \infty) |
| \sum n!\, x^n | \infty para x \ne 0 | 0 | \{0\} |
Un patrón útil de las tres primeras filas: los factores polinómicos como n o n^2 no cambian el radio, pero sí pueden cambiar lo que pasa en los extremos.
Practica hasta que los pasos sean automáticos
Hallar un intervalo de convergencia es una rutina fija: cociente, límite, despejar, revisar los dos extremos. La rutina solo se vuelve rápida después de aplicarla a una docena de series distintas. La lección interactiva de abajo te da series nuevas para resolver, revisa cada paso al instante y te muestra exactamente dónde falló la prueba de un extremo.
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