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Regras de séries

Fórmula da série geométrica: soma a/(1 − r), convergência e exemplos

A fórmula da série geométrica: a + ar + ar² + ... = a/(1 − r) quando |r| < 1. Somas parciais, a condição de convergência e exemplos resolvidos.

Regras de séries Atualizado 3 min de leitura

Visão geral

\sum_{n=0}^{\infty} a\,r^n = \frac{a}{1 - r}, \quad \lvert r\rvert < 1
Primeiro termo
a, o termo obtido quando o expoente é 0
Razão
r, o fator que transforma cada termo no seguinte
Converge quando
\lvert r\rvert < 1
Diverge quando
\lvert r\rvert \ge 1 (e a \ne 0)
Soma parcial
S_N = a\,\dfrac{1 - r^N}{1 - r} para os primeiros N termos, r \ne 1
Nesta página
  1. A fórmula da série geométrica
  2. Por que a fórmula funciona
  3. Como usar
  4. Exemplos resolvidos
  5. Somas finitas e infinitas
  6. Erros comuns
  7. Aonde isso leva

Uma série geométrica soma termos em que cada um vem do anterior multiplicado pelo mesmo número r. É uma das poucas séries infinitas cuja soma exata você consegue escrever, o que faz dela a referência com a qual todo teste de convergência é comparado.

A fórmula da série geométrica

Com primeiro termo a e razão r:

a + ar + ar^2 + ar^3 + \cdots = \sum_{n=0}^{\infty} a\,r^n = \frac{a}{1-r}, \qquad \lvert r\rvert < 1

Se \lvert r\rvert \ge 1 e a \ne 0, a série diverge.

A soma dos primeiros N termos é finita para todo r \ne 1:

S_N = a + ar + \cdots + ar^{N-1} = a\,\frac{1 - r^N}{1 - r}

Por que a fórmula funciona

Multiplique S_N por r e subtraia. Quase todos os termos se cancelam:

S_N - rS_N = a - ar^N \quad\Longrightarrow\quad S_N = a\,\frac{1 - r^N}{1 - r}

Quando \lvert r\rvert < 1, r^N \to 0 quando N \to \infty, então S_N \to \frac{a}{1-r}. Quando \lvert r\rvert \ge 1, r^N não tende a zero e as somas parciais não têm limite finito.

Somas parciais de 1 + 1/2 + 1/4 + ... se aproximando de 2
Cada soma parcial S_N = 2 - 2^{1-N} fecha metade da distância que falta até o limite \frac{1}{1 - 1/2} = 2.

Como usar

  1. Encontre a: o primeiro termo da série como ela está escrita. Substitua o índice inicial.
  2. Encontre r: divida qualquer termo pelo anterior.
  3. Verifique se \lvert r\rvert < 1. Se não for, pare: a série diverge.
  4. Calcule \frac{a}{1-r}.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: um clássico. 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \cdots tem a = 1, r = \frac{1}{2}:

\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{1}{1 - \frac{1}{2}} = 2

Exemplo 2: o índice não começa em 0. Em \sum_{n=1}^{\infty} 3\left(\frac{2}{3}\right)^n o primeiro termo é 3\cdot\frac{2}{3} = 2, não 3:

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

Exemplo 3: uma razão negativa. \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\frac{1}{3}\right)^n tem a = 1, r = -\frac{1}{3}:

\frac{1}{1 - \left(-\frac{1}{3}\right)} = \frac{3}{4}

Exemplo 4: uma dízima periódica. 0.272727\ldots = \frac{27}{100} + \frac{27}{10000} + \cdots tem a = \frac{27}{100} e r = \frac{1}{100}:

\frac{27/100}{99/100} = \frac{27}{99} = \frac{3}{11}

Exemplo 5: divergência. \sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{5}{4}\right)^n tem r = \frac{5}{4} > 1, então diverge. Os termos crescem em vez de diminuir.

Somas finitas e infinitas

A fórmula finita funciona para toda razão exceto r = 1, então até uma série com r = 3 tem uma soma perfeitamente válida dos dez primeiros termos: \sum_{n=0}^{9} 3^n = \frac{1 - 3^{10}}{1 - 3} = 29524. Só a soma infinita precisa de \lvert r\rvert < 1. Quando r = 1, todo termo é igual a a, então os primeiros N termos somam Na, e a série infinita diverge.

Erros comuns

  1. Usar o coeficiente em vez do primeiro termo. Quando a soma começa em n = 1 ou depois, calcule o primeiro termo diretamente.
  2. Ignorar a condição. \frac{a}{1-r} com r = 2 dá -a, um número sem sentido. Sempre verifique \lvert r\rvert < 1 primeiro.
  3. Confundir outras séries com geométricas. \sum \frac{1}{n^2} e \sum \frac{1}{2n} não têm razão constante, então a fórmula não se aplica.
  4. Perder um sinal em r. Em uma série geométrica alternada, r é negativo, e 1 - r vira 1 + \lvert r\rvert.

Aonde isso leva

As séries geométricas são o modelo do teste da razão, que pergunta se uma série acaba se comportando como uma geométrica com \lvert r\rvert < 1. Elas também dão a primeira série de potências, \frac{1}{1-x} = \sum x^n para \lvert x\rvert < 1, o ponto de partida das séries de potências. Para mais exemplos, leia o guia completo de séries geométricas.

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Perguntas frequentes

Qual é a fórmula da soma de uma série geométrica infinita?

Se o primeiro termo é a e a razão r satisfaz \lvert r\rvert < 1, a soma é \frac{a}{1-r}. Se \lvert r\rvert \ge 1, a série diverge.

Como encontrar r em uma série geométrica?

Divida qualquer termo pelo termo anterior. Para 6 + 2 + \frac{2}{3} + \cdots, a razão é \frac{2}{6} = \frac{1}{3}.

Por que uma série geométrica diverge quando |r| é pelo menos 1?

Se \lvert r\rvert \ge 1, os termos ar^n não tendem a zero, então, pelo teste do termo geral, a série não pode convergir.

Como escrever 0,999... como uma série geométrica?

0.999\ldots = \frac{9}{10} + \frac{9}{100} + \cdots, uma série geométrica com a = \frac{9}{10} e r = \frac{1}{10}. Sua soma é \frac{9/10}{9/10} = 1.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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