Teste da série alternada: condições, estimativa do erro e exemplos
O teste da série alternada (critério de Leibniz): se bₙ decresce para 0, a série de (−1)ⁿbₙ converge. Condições, estimativa do erro e exemplos.
Regras de séries Atualizado 3 min de leitura
Visão geral
- Também chamado de
- Critério de Leibniz
- Condição 1
- Os termos alternam de sinal: \sum (-1)^{n+1} b_n com b_n > 0
- Condição 2
- b_n é decrescente, pelo menos a partir de algum termo
- Condição 3
- \lim_{n\to\infty} b_n = 0
- Estimativa do erro
- \lvert S - S_N\rvert \le b_{N+1}
- Não prova
- Divergência, nem convergência absoluta
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O teste da série alternada, também conhecido como critério de Leibniz, trata das séries cujos termos trocam de sinal, como 1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \cdots. Se os módulos dos termos diminuem sem parar até zero, as somas parciais oscilam em zigue-zague cada vez mais perto de um limite, e a série converge.
O teste
Suponha b_n > 0 para todo n. A série
converge se:
- b_{n+1} \le b_n para todo n (ou para todo n a partir de algum ponto), e
- \lim_{n\to\infty} b_n = 0.
O mesmo vale para \sum (-1)^n b_n, que apenas troca todos os sinais.
A estimativa do erro
Se as condições valem e S é a soma, a soma parcial S_N fica a no máximo um termo do valor verdadeiro:
Além disso, S fica entre quaisquer duas somas parciais consecutivas. Esse é o teorema da estimativa da série alternada, e ele torna as séries alternadas fáceis de aproximar.
Por que funciona
Como os b_n decrescem, cada passo ultrapassa o limite menos que o anterior. As somas parciais pares S_2, S_4, S_6, \ldots crescem, as ímpares S_1, S_3, S_5, \ldots decrescem, e toda soma par fica abaixo de toda soma ímpar. As duas sequências são limitadas e monótonas, então convergem, e como S_{2k+1} - S_{2k} = b_{2k+1} \to 0, convergem para o mesmo limite.
Exemplos resolvidos
Exemplo 1: a série harmônica alternada. Para \sum \frac{(-1)^{n+1}}{n}, b_n = \frac{1}{n} é positivo, decrescente e tende a 0. A série converge (para \ln 2). Como \sum \frac{1}{n} diverge, a convergência é condicional.
Exemplo 2: falhando na condição do limite. Para \sum (-1)^n \frac{n}{n+1}, b_n = \frac{n}{n+1} \to 1 \ne 0. O teste da série alternada não se aplica, e o teste do termo geral mostra que a série diverge.
Exemplo 3: verificando o decrescimento com uma derivada. Para \sum (-1)^{n+1}\frac{\ln n}{n} (começando em n = 2), seja f(x) = \frac{\ln x}{x}. Então f'(x) = \frac{1 - \ln x}{x^2} < 0 para x > e, logo b_n decresce para n \ge 3, e \frac{\ln n}{n} \to 0. A série converge.
Exemplo 4: estimando uma soma. A série \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n!} = 1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{6} - \frac{1}{24} + \cdots satisfaz o teste. Quatro termos dão
com erro de no máximo b_5 = \frac{1}{120} \approx 0.0083. A soma verdadeira é 1 - \frac{1}{e} \approx 0.6321, e o erro real é de cerca de 0.0071.
Convergência absoluta e condicional
O teste prova a convergência, mas não diz nada sobre convergência absoluta. Verifique \sum b_n separadamente:
| Série | \sum b_n | Conclusão |
|---|---|---|
| \sum \frac{(-1)^{n+1}}{n^2} | converge | absolutamente convergente |
| \sum \frac{(-1)^{n+1}}{n} | diverge | condicionalmente convergente |
| \sum \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}} | diverge | condicionalmente convergente |
O teste da razão dá L = 1 para as três, então não decide nenhuma delas.
Erros comuns
- Usar o teste para provar divergência. Falhar na condição de decrescimento não significa divergência. Só b_n \not\to 0 significa, e isso é o teste do termo geral.
- Incluir o sinal em b_n. b_n é o módulo positivo do termo, sem o (-1)^n.
- Pular a verificação do decrescimento. Normalmente ela vale, mas precisa ser verificada, às vezes com uma derivada.
- Chamar uma série de absolutamente convergente só porque passou neste teste.
Para comparar todos os testes de convergência e saber qual escolher, leia o guia completo de testes de convergência.
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