Testes de convergência de séries: qual usar e quando
Todos os testes de convergência de séries com exemplos: termo geral, integral, série p, comparação, razão, raiz e série alternada, mais uma tabela de escolha.
Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 7 min de leitura
Nesta página
- O que significa uma série convergir?
- 1. O teste do termo geral para divergência
- 2. Séries geométricas
- 3. O teste da série p
- 4. O teste da integral
- 5. O teste da comparação direta
- 6. O teste da comparação no limite
- 7. O teste da razão
- 8. O teste da raiz
- 9. O teste da série alternada
- Qual teste de convergência você deve usar?
- Erros comuns com testes de convergência
- Pratique a escolha do teste certo
Você está olhando para \sum \frac{3^n}{n!} e sabe que existem oito testes de convergência diferentes, mas qual usar? A maioria das questões de séries não é difícil depois que você escolhe o teste certo. A parte difícil é a escolha. Este guia apresenta cada teste de convergência padrão com um exemplo resolvido e depois traz uma tabela de decisão para você escolher rápido.
O que significa uma série convergir?
Uma série \sum a_n converge se suas somas parciais S_N = a_1 + a_2 + \cdots + a_N se aproximam de um número finito quando N \to \infty. Caso contrário, ela diverge.
Na maior parte das vezes você não consegue calcular a soma exata (as séries geométricas são a grande exceção). Os testes de convergência respondem a uma pergunta mais simples: a soma existe? Cada teste abaixo dá um veredito de converge, diverge ou inconclusivo.
1. O teste do termo geral para divergência
Exemplo. \sum \frac{n}{2n+1}. Os termos se aproximam de \frac12, não de 0. Somar infinitos números próximos de \frac12 não pode dar um total finito, então a série diverge.
Dica: este teste nunca prova convergência. Se a_n \to 0, o teste não diz nada e você precisa tentar outro.
2. Séries geométricas
Exemplo. \sum \frac{5}{4^n} tem r = \frac14, então converge.
3. O teste da série p
Exemplos. \sum \frac{1}{n^{3/2}} converge (p = 1.5). \sum \frac{1}{\sqrt n} diverge (p = 0.5). A série harmônica \sum \frac1n (p = 1) diverge, embora seus termos encolham até 0.
A série harmônica diverge de forma extremamente lenta. Suas somas parciais crescem como \ln N: você precisa de mais de 12.000 termos só para passar de 10. O gráfico mostra as somas parciais presas entre duas curvas logarítmicas, que vão ambas para o infinito.
4. O teste da integral
Se f é positiva, contínua e decrescente para x \ge N, e a_n = f(n), então
Exemplo. A série \sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n} converge?
Passo 1. Verifique as condições. f(x) = \frac{1}{x\ln x} é positiva, contínua e decrescente para x \ge 2.
Passo 2. Calcule a integral imprópria. Com u = \ln x, du = \frac1x\,dx:
Passo 3. Conclua. A integral diverge, então a série diverge.
É também do teste da integral que vem a regra da série p: \int_1^\infty \frac{dx}{x^p} converge exatamente quando p > 1.
5. O teste da comparação direta
Suponha que 0 \le a_n \le b_n para todo n grande.
- Se \sum b_n converge, então a menor, \sum a_n, converge.
- Se \sum a_n diverge, então a maior, \sum b_n, diverge.
Exemplo (convergência). \sum \frac{1}{n^2 + 5}. Como n^2 + 5 > n^2, temos \frac{1}{n^2+5} < \frac{1}{n^2}. A série p \sum \frac{1}{n^2} converge, então esta série converge.
Exemplo (divergência). \sum_{n=3}^\infty \frac{\ln n}{n}. Para n \ge 3, \ln n > 1, então \frac{\ln n}{n} > \frac1n. A série harmônica diverge, então esta série diverge.
6. O teste da comparação no limite
A comparação direta exige uma desigualdade no sentido certo, o que pode ser trabalhoso. O teste da comparação no limite só exige que os termos se comportem de forma parecida. Se a_n, b_n > 0 e
então \sum a_n e \sum b_n ou ambas convergem ou ambas divergem.
Exemplo. A série \sum \frac{2n+3}{n^3+1} converge?
Passo 1. Escolha b_n a partir dos termos dominantes. Para n grande, \frac{2n+3}{n^3+1} se comporta como \frac{2n}{n^3} = \frac{2}{n^2}. Tome b_n = \frac1{n^2}.
Passo 2. Calcule o limite.
Passo 3. Conclua. L = 2 é positivo e finito, e \sum\frac1{n^2} converge, então a série original converge.
7. O teste da razão
Seja
Se L < 1, a série converge (absolutamente). Se L > 1, ela diverge. Se L = 1, o teste é inconclusivo.
Exemplo. A série \sum \frac{3^n}{n!} converge?
Passo 1. Monte a razão.
Passo 2. Calcule o limite. \frac{3}{n+1} \to 0.
Passo 3. Conclua. L = 0 < 1, então a série converge.
O teste da razão brilha com fatoriais e exponenciais, porque a maior parte da expressão se cancela. Ele é inútil para séries p e funções racionais de n: tanto \sum\frac1n quanto \sum\frac1{n^2} dão L = 1.
8. O teste da raiz
Seja
Os vereditos são os mesmos do teste da razão: L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 é inconclusivo.
Exemplo. A série \sum \left(\frac{n}{2n+1}\right)^n converge?
Como L = \frac12 < 1, a série converge. Use o teste da raiz sempre que o termo inteiro estiver elevado à potência n.
9. O teste da série alternada
Uma série alternada tem a forma \sum (-1)^{n+1} b_n com b_n > 0. Ela converge se
- b_{n+1} \le b_n para todo n grande (os tamanhos acabam diminuindo), e
- \lim_{n\to\infty} b_n = 0.
Exemplo. A série harmônica alternada 1 - \frac12 + \frac13 - \frac14 + \cdots tem b_n = \frac1n, que decresce até 0. Então ela converge (na verdade, para \ln 2).
Limitante do erro. Para uma série que passa neste teste, parar depois de N termos dá um erro que não passa do próximo termo: |S - S_N| \le b_{N+1}. Por exemplo, os 99 primeiros termos da série harmônica alternada ficam a menos de \frac{1}{100} de \ln 2.
Convergência absoluta e condicional
Se \sum |a_n| converge, então \sum a_n também converge. Chamamos isso de convergência absoluta. A série harmônica alternada converge, mas \sum \left|\frac{(-1)^{n+1}}{n}\right| = \sum\frac1n diverge, então ela converge apenas condicionalmente. Já \sum \frac{(-1)^{n+1}}{n^2} converge absolutamente, porque \sum\frac{1}{n^2} converge.
Qual teste de convergência você deve usar?
Percorra esta tabela de cima para baixo. A primeira linha que combinar costuma ser o caminho mais rápido.
| Se a série se parece com... | Tente este teste | Exemplo |
|---|---|---|
| Termos que claramente não tendem a 0 | Teste do termo geral (diverge) | \sum \frac{n}{2n+1} |
| ar^n, uma razão constante | Série geométrica | \sum \frac{5}{4^n} |
| \frac{1}{n^p} | Série p | \sum \frac{1}{n^{3/2}} |
| Uma expressão racional ou com raízes em n | Comparação no limite com \frac{1}{n^p} | \sum \frac{2n+3}{n^3+1} |
| Parecida com uma série conhecida, com uma desigualdade fácil | Comparação direta | \sum \frac{1}{n^2+5} |
| Fatoriais ou c^n | Teste da razão | \sum \frac{3^n}{n!} |
| O termo inteiro elevado à potência n | Teste da raiz | \sum \left(\frac{n}{2n+1}\right)^n |
| Sinais que se alternam | Teste da série alternada | \sum \frac{(-1)^{n+1}}{n} |
| Uma função fácil de integrar, como \frac{1}{n\ln n} | Teste da integral | \sum \frac{1}{n\ln n} |
Dica: para encontrar a série p certa para uma comparação, mantenha apenas a maior potência de n no numerador e no denominador. \frac{2n+3}{n^3+1} se comporta como \frac{n}{n^3} = \frac{1}{n^2}.
Erros comuns com testes de convergência
- Usar o teste do termo geral para provar convergência. a_n \to 0 não prova nada. A série harmônica é o contraexemplo clássico.
- Tratar L = 1 como veredito. Nos testes da razão e da raiz, L = 1 significa trocar de teste.
- Comparar no sentido errado. Ser menor que uma série divergente, ou maior que uma convergente, não diz nada.
- Esquecer as condições do teste da integral. A função precisa ser positiva e decrescente (pelo menos a partir de certo ponto).
- Confundir a série com a sequência. "Os termos convergem para 0" e "a série converge" são afirmações diferentes.
- Ignorar os módulos. Os testes da razão e da raiz usam |a_n|, e uma série alternada pode convergir sem convergir absolutamente.
Pratique a escolha do teste certo
Reconhecer qual teste serve é uma habilidade de reconhecimento de padrões, e ela só fica rápida com repetição. Depois de algumas dezenas de séries, você vai bater o olho em \frac{3^n}{n!} e pensar "teste da razão" antes mesmo de terminar de ler. A lição interativa abaixo mistura séries de todos os tipos e dá feedback imediato tanto sobre o teste escolhido quanto sobre a sua conclusão.
Pratique agora
Escolhendo um teste
Resolva problemas reais sobre este tópico com feedback instantâneo, dicas e uma resolução passo a passo para cada resposta. Grátis, sem cadastro para começar.
Praticar esta lição