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Somação por partes (n tende ao infinito)

Gostaria de saber como resolver esse exercício utilizando a somação por partes.. Não ficou claro para mim. 

Segue o link: https://www.wolframalpha.com/input/?i=sum+n%5E2%2F3%5En%2C+n%3D1+to+infinity

Matemática Geral Mestrado
1 resposta
Professor Lucas G.
Respondeu há 5 anos
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Vamos lembrar a fórmula de soma por partes e de onde ela vem. 

Primeiramente, sejam \Delta o operador de diferenças finitas e E := \Delta + \text{ Id }, que satisfazem \Delta a_n = a_{n+1} - a_n e E a_n = a_{n+1}, onde (a_n)_{n\in \mathbb{Z}} é uma sequência qualquer de números. 
Então dadas duas sequências (a_n)_{n\in\mathbb{Z}}, (b_n)_{n\in\mathbb{Z}}, temos 

\Delta(a_n b_n) = a_{n+1} b_{n+1} - a_n b_n = (E a_n) (\Delta b_n) + a_{n+1} b_n - a_n b_n , ou,

\Delta(a_n b_n)  = (E a_n)(\Delta b_n) + (\Delta a_n) b_n. (*)

Lembrando que
 \sum\limits^s_{n=r} \Delta c_n = c_{s+1} - c_r
para uma sequência (c_n)_{n\in\mathbb{Z}} qualquer, aplicando um somatório genérico de r até s (r =< s inteiros) em (*), obtemos a fórmula de soma por partes:

\sum\limits^s_{n=r} (\Delta a_n)b_n = (a_{s+1}b_{s+1} - a_r b_r) - \sum\limits^s_{n=r} (E a_n) (\Delta b_n)


A ideia para aplicar na soma em questão é de 'transferir' o delta para a sequência polinomial quadrática n \mapsto n^2, pois assim o grau é reduzido. 

Primeiro vamos aplicar na soma \sum\limits^s_{n=r} \dfrac{n}{3^n}. Definimos as sequências de forma que a_n = 3^{-n} e b_n = n para todo n\in\mathbb{Z}. Notamos que
\Delta a_n = a_n \left(\frac{1}{3}-1\right) \, \Rightarrow\, a_n = -\dfrac{3}{2} \Delta a_n.

Além disso, (E a_n) (\Delta b_n) = a_n = 3^{-n}. Assim, soma por partes nos dá:

\sum\limits^s_{n=r} \dfrac{n}{3^n} = -\dfrac{3}{2} \sum\limits^s_{n=r} (\Delta a_n) b_n = -\dfrac{3}{2}\left( (a_n b_n)|^{s+1}_{n=r} - \sum\limits^s_{n=r} (E a_n) (\Delta b_n) \right), ou

\sum\limits^s_{n=r} \dfrac{n}{3^n} = -\dfrac{3}{2} \left( (a_nb_n)|^{s+1}_{n=r} - \left(-\dfrac{3}{2} a_{n+1}\right)\Big |^{s+1}_{n=r} \right).


No caso da soma em questão, ou seja, com b_n = n^2 para todo n, temos \Delta n^2 = (n+1)^2 - n^2 = 2n + 1, de forma que a aplicação de soma por partes deixa ela em termos da soma que acabamos de calcular e da soma de progressão geométrica n\mapsto a_n = 3^{-n}, bastando então substituir os resultados adequadamente. 

Obs.: Depois disso, tome s\to\infty no resultado. 

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