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Sequências e séries

Série geométrica: fórmula da soma, convergência e exemplos

A fórmula da soma da série geométrica, por que ela só converge quando |r| < 1, como se comportam as somas parciais e como converter dízimas em frações.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura

Nesta página
  1. O que é uma série geométrica?
  2. A fórmula da soma da série geométrica
  3. Quando uma série geométrica converge?
  4. Vendo as somas parciais se aproximarem do limite
  5. Exemplo resolvido 1: uma soma que começa em n = 1
  6. Exemplo resolvido 2: uma razão negativa
  7. Exemplo resolvido 3: uma série divergente
  8. Exemplo resolvido: uma soma geométrica finita
  9. Dízimas periódicas como séries geométricas
  10. Um exemplo do mundo real: a bola quicando
  11. Das séries geométricas às séries de potências
  12. Erros comuns com séries geométricas
  13. Referência rápida
  14. Pratique até a fórmula ficar automática

Some 1 + \frac12 + \frac14 + \frac18 + \cdots para sempre. Infinitos termos positivos e, mesmo assim, o total nunca passa de 2. As séries geométricas são o único tipo de soma infinita que você consegue somar exatamente com uma única fórmula, e são a base de todo o resto do estudo de séries, dos testes de convergência às séries de potências.

O que é uma série geométrica?

Uma série geométrica é uma soma em que cada termo é o anterior multiplicado por um número fixo r, chamado de razão:

\sum_{n=0}^{\infty} a r^n = a + ar + ar^2 + ar^3 + \cdots

Aqui a é o primeiro termo. Para encontrar r, divida qualquer termo pelo anterior. Em 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots, o primeiro termo é a = 1 e a razão é r = \frac12.

A fórmula da soma da série geométrica

A n-ésima soma parcial soma os n primeiros termos:

S_n = a + ar + \cdots + ar^{n-1} = \frac{a(1 - r^n)}{1 - r} \qquad (r \ne 1)

A soma infinita é o limite de S_n quando n \to \infty. Se |r| < 1, então r^n \to 0 e as somas parciais se estabilizam:

\sum_{n=0}^\infty ar^n = \frac{a}{1-r} \qquad \text{quando } |r| < 1

Um jeito prático de lembrar: soma = primeiro termo sobre um menos a razão.

De onde vem a fórmula

Escreva S_n, multiplique por r e subtraia:

S_n = a + ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1}
rS_n = ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1} + ar^n

Todos os termos do meio se cancelam, sobrando S_n - rS_n = a - ar^n. Coloque em evidência e divida:

S_n(1 - r) = a(1 - r^n) \quad\Longrightarrow\quad S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}

Vale a pena lembrar esse truque da subtração. Ele funciona tanto para somas geométricas finitas quanto infinitas.

Quando uma série geométrica converge?

Tudo depende do tamanho de r:

Razão O que r^n faz A série
\lvert r\rvert < 1 encolhe até 0 converge para \frac{a}{1-r}
r = 1 fica igual a 1 diverge (a + a + a + \cdots)
r = -1 alterna entre 1 e -1 diverge (as somas parciais oscilam)
\lvert r\rvert > 1 cresce sem limitação diverge

(Supomos a \ne 0 o tempo todo.) Então uma série geométrica converge se e somente se |r| < 1. Essa regra limpa é o motivo de as séries geométricas serem usadas como referência nos testes da comparação e da razão.

Vendo as somas parciais se aproximarem do limite

Para 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots, a fórmula da soma parcial dá S_n = \frac{1 - (1/2)^n}{1 - 1/2} = 2 - 2\left(\frac12\right)^n. Os primeiros valores são 1, 1.5, 1.75, 1.875, 1.9375. Cada um fecha metade da distância que falta até 2.

Somas parciais de 1 + 1/2 + 1/4 + ... se aproximando de 2
Os pontos são as somas parciais S_n = 2 - 2\left(\frac12\right)^n. Eles sobem em direção à reta tracejada y = 2, a soma da série, mas nunca a ultrapassam.

Quando r é negativo, as somas parciais alternam em torno do limite em vez de subir até ele. Em 1 - \frac12 + \frac14 - \frac18 + \cdots (com r = -\frac12), as somas parciais são 1, 0.5, 0.75, 0.625, 0.6875, \dots, oscilando acima e abaixo da soma \frac{1}{1 + 1/2} = \frac23.

Somas parciais de 1 − 1/2 + 1/4 − ... alternando em torno de 2/3
Com r = -\frac12, as somas parciais passam do valor da soma \frac23 e ficam abaixo dele, chegando mais perto a cada vez.

Exemplo resolvido 1: uma soma que começa em n = 1

Encontre \sum_{n=1}^{\infty} 3\left(\frac25\right)^n.

Passo 1. Encontre o primeiro termo. Substitua n = 1: a = 3\cdot\frac25 = \frac65.

Passo 2. Encontre a razão. Cada termo é multiplicado por \frac25, então r = \frac25.

Passo 3. Verifique a convergência. |r| = \frac25 < 1, então a série converge.

Passo 4. Aplique a fórmula.

\sum_{n=1}^\infty 3\left(\frac25\right)^n = \frac{6/5}{1 - 2/5} = \frac{6/5}{3/5} = 2

Exemplo resolvido 2: uma razão negativa

Encontre \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-2)^n}{3^{n+1}}.

Passo 1. Reescreva na forma padrão. \frac{(-2)^n}{3^{n+1}} = \frac13\cdot\frac{(-2)^n}{3^n} = \frac13\left(-\frac23\right)^n.

Passo 2. Leia a e r. Em n = 0 o termo é \frac13, então a = \frac13 e r = -\frac23.

Passo 3. Verifique. |r| = \frac23 < 1. Converge.

Passo 4. Some.

\frac{1/3}{1 - (-2/3)} = \frac{1/3}{5/3} = \frac15

Exemplo resolvido 3: uma série divergente

A série \sum_{n=0}^\infty \frac{3^n}{2^n} converge?

Ela é geométrica com a = 1 e r = \frac32. Como |r| > 1, os termos crescem e a série diverge. Substituir em \frac{a}{1-r} daria \frac{1}{1 - 3/2} = -2, uma resposta sem sentido. Sempre confira |r| < 1 antes de usar a fórmula.

Exemplo resolvido: uma soma geométrica finita

A fórmula da soma parcial funciona para qualquer soma geométrica finita, mesmo quando |r| > 1. Encontre 2 + 6 + 18 + \cdots + 2\cdot 3^9.

Passo 1. Identifique a, r e n. O primeiro termo é a = 2, a razão é r = 3, e os expoentes vão de 0 a 9, então há n = 10 termos.

Passo 2. Aplique S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}.

S_{10} = \frac{2(1 - 3^{10})}{1 - 3} = \frac{2(1 - 59{,}049)}{-2} = 59{,}048

Contar os termos corretamente é a principal armadilha aqui: de 3^0 a 3^9 são dez termos, não nove.

Dízimas periódicas como séries geométricas

Toda dízima periódica é, no fundo, uma série geométrica, e é por isso que toda dízima periódica é uma fração.

Exemplo resolvido 4: 0,272727...

0.\overline{27} = \frac{27}{100} + \frac{27}{10{,}000} + \frac{27}{1{,}000{,}000} + \cdots

Aqui a = \frac{27}{100} e r = \frac{1}{100}, então

0.\overline{27} = \frac{27/100}{1 - 1/100} = \frac{27/100}{99/100} = \frac{27}{99} = \frac{3}{11}

Exemplo resolvido 5: 0,999... é igual a 1

0.\overline{9} = \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \cdots = \frac{9/10}{1 - 1/10} = \frac{9/10}{9/10} = 1

Isso não é uma aproximação. A dízima infinita e o 1 são o mesmo número.

Exemplo resolvido 6: uma dízima que começa a se repetir depois

Escreva 1.2\overline{3} = 1.2333\ldots como fração.

Separe a parte que não se repete: 1.2333\ldots = 1.2 + 0.0333\ldots. A parte periódica é geométrica com a = \frac{3}{100} e r = \frac{1}{10}:

0.0\overline{3} = \frac{3/100}{1 - 1/10} = \frac{3/100}{9/10} = \frac{3}{90} = \frac{1}{30}

Então 1.2\overline{3} = \frac{6}{5} + \frac{1}{30} = \frac{36}{30} + \frac{1}{30} = \frac{37}{30}.

Um exemplo do mundo real: a bola quicando

Uma bola é solta de 10 metros, e cada quique atinge \frac34 da altura anterior. Qual é a distância total percorrida?

Passo 1. A primeira queda tem 10 metros.

Passo 2. Os quiques. A bola sobe até 7.5 m, depois 5.625 m, e assim por diante, uma série geométrica com a = 7.5 e r = \frac34. A soma é \frac{7.5}{1 - 3/4} = 30 metros.

Passo 3. Conte cada quique duas vezes, uma subindo e outra descendo: 2 \cdot 30 = 60 metros.

Passo 4. Total: 10 + 60 = 70 metros, embora a bola quique infinitas vezes.

Das séries geométricas às séries de potências

Troque a razão por uma variável e a fórmula da soma vira uma afirmação sobre funções:

\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + x^3 + \cdots \qquad \text{para } |x| < 1

Essa única identidade é a semente das séries de potências. Substitua x por -x e você obtém \frac{1}{1+x} = 1 - x + x^2 - \cdots. Substitua por -x^2 e obtém \frac{1}{1+x^2} = 1 - x^2 + x^4 - \cdots, que, integrada termo a termo, dá a série de \arctan x. A condição |x| < 1 vem direto de |r| < 1, e é o primeiro exemplo de intervalo de convergência.

Erros comuns com séries geométricas

  1. Usar o primeiro termo errado. Quando a soma começa em n = 1 ou depois, a é o primeiro termo que você realmente soma, e não o coeficiente na frente.
  2. Aplicar a fórmula quando |r| \ge 1. A fórmula só funciona para séries convergentes. Uma "soma" negativa de termos positivos é um sinal de alerta.
  3. Ler a razão errado. Em \frac{2^n}{3^{n+1}}, a razão é \frac23, e não \frac{2}{3^{n+1}}. Reescreva os termos como a\cdot r^n primeiro.
  4. Esquecer o sinal em 1 - r. Com r = -\frac23, o denominador é 1 + \frac23.
  5. Confundir a sequência com a série. Os termos \left(\frac12\right)^n tendem a 0. A soma deles tende a 2.

Referência rápida

Grandeza Fórmula
Termo geral ar^n (começando em n = 0)
Razão r = \frac{\text{termo}_{n+1}}{\text{termo}_n}
n-ésima soma parcial S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}
Soma infinita, \lvert r\rvert < 1 \frac{a}{1-r}
Diverge quando \lvert r\rvert \ge 1

Pratique até a fórmula ficar automática

As séries geométricas aparecem de novo e de novo: no teste da razão, nos argumentos de comparação e como ponto de partida para as séries de potências. Ficar rápido para encontrar a e r compensa pelo resto do curso. A lição interativa abaixo dá feedback imediato em cada passo, para que um primeiro termo errado ou um deslize de sinal sejam pegos na hora.

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Séries geométricas

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Perguntas frequentes

Qual é a fórmula da soma de uma série geométrica?

Se o primeiro termo é a e a razão é r com |r| < 1, a soma infinita é \frac{a}{1-r}. Para um número finito de termos, a soma dos n primeiros termos é \frac{a(1-r^n)}{1-r}.

Como saber se uma série geométrica converge?

Encontre a razão r dividindo qualquer termo pelo anterior. A série converge se |r| < 1 e diverge se |r| \ge 1. Não há outros casos, o que faz das séries geométricas as séries mais fáceis de classificar.

Por que 0,999... é igual a 1?

Escreva 0.999\ldots como \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \frac{9}{1000} + \cdots, uma série geométrica com a = \frac{9}{10} e r = \frac{1}{10}. Sua soma é \frac{9/10}{1 - 1/10} = \frac{9/10}{9/10} = 1. A dízima infinita é exatamente 1, e não apenas algo próximo de 1.

Qual é a diferença entre progressão geométrica e série geométrica?

Uma progressão (ou sequência) geométrica é uma lista de números como 1, \frac12, \frac14, \frac18, \ldots, em que cada termo é o anterior vezes r. Uma série geométrica é a soma desses termos, 1 + \frac12 + \frac14 + \cdots, que aqui vale 2.

Como encontrar o primeiro termo quando a soma começa em n = 1?

Substitua o índice inicial na fórmula dos termos. Em \sum_{n=1}^\infty 3\left(\frac25\right)^n, o primeiro termo é 3\cdot\frac25 = \frac65, e não 3. Usar o primeiro termo errado é o erro mais comum com a fórmula da soma.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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