A série converge?

Oct 14 2020

Deixei $g \colon \mathbb{N} \rightarrow \{0,1\}$ de tal modo que $g(n)=0$, E se $n \equiv 0$ ou $n \equiv 1 ~(\bmod~4)$; ou$g(n)=1$, E se $n \equiv 2$ ou $n \equiv 3 ~(\bmod~4)$.

Faz $\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}}$ convergir?

A série é algo assim

  • E se $n=1$, então $\frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}} = \frac{(-1)^{0}}{\sqrt{1}} = 1$, soma parcial de 1

  • E se $n=2$, então $\frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}} = \frac{(-1)^{1}}{\sqrt{2}} \approx -0.707$, soma parcial de $\approx$ 0,293

  • E se $n=3$, então $\frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}} = \frac{(-1)^{1}}{\sqrt{3}} \approx -0.577$, soma parcial de $\approx$ -0,284

  • E se $n=4$, então $\frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}} = \frac{(-1)^{0}}{\sqrt{4}} = 0.5$, soma parcial de $\approx$ 0,216

  • $\cdot\cdot\cdot$ e continua

O que pensei em fazer?

  1. Quebre a série (chame isso $a_n$) em dois ($b_n$ e $c_n$), Onde $b_n$ são os termos positivos e torna os termos negativos = $0$; e$c_n$ são apenas os termos negativos, e os termos que são índices de positivo = $0$. Portanto, temos uma igualdade de$a_n = b_n - c_n$. Se eu mostrar isso também$b_n$ ou $c_n$ diverge então $a_n$ diverge?
  2. Eu sei, usando o Teste de Série Alternativo, que $\sum _{n=1}^{\infty }\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}$ converge, mas isso também significa $\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}}$converge? Não é propriamente um reordenamento, então tenho minhas dúvidas.

Não tenho certeza de nenhum dos caminhos, então é por isso que estou aqui. Obrigado.

Respostas

2 saulspatz Oct 15 2020 at 05:21

A série converge pelo teste de Dirichlet . Na notação do artigo da Wikipedia, deixe$a_n=\frac1{\sqrt n}$, e deixar $b_n=(-1)^{g(n)}$. Então$\mid\sum_{k=1}^n b_k\mid\leq2$ e o teste se aplica.

2 AnginaSeng Oct 14 2020 at 00:33

Eu acho que isso é $$\sum_{m=0}^\infty\left(\frac1{\sqrt{4m+1}}-\frac1{\sqrt{4m+2}} -\frac1{\sqrt{4m+3}}+\frac1{\sqrt{4m+4}}\right).$$ O teorema do valor médio implica que ambos $$\frac1{\sqrt{4m+1}}-\frac1{\sqrt{4m+2}}$$ e $$-\frac1{\sqrt{4m+3}}+\frac1{\sqrt{4m+4}}$$ está $O(m^{-3/2})$, e assim esta série converge em comparação com $\sum_{m=1}^\infty m^{-3/2}$ .

1 QC_QAOA Oct 14 2020 at 00:53

Nós temos

$$\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}}=\frac{1}{1}-\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{1}{\sqrt{4}}+\cdots$$

Agora, observe que para $n\equiv 2\ (\text{mod}\ 4)$ nós temos os termos

$$\cdots-\frac{1}{\sqrt{n}}-\frac{1}{\sqrt{n+1}}+\frac{1}{\sqrt{n+2}}+\frac{1}{\sqrt{n+3}}-\cdots$$

$$\cdots-\frac{\sqrt{n}+\sqrt{n+1}}{\sqrt{n(n+1)}}+\frac{\sqrt{n+2}+\sqrt{n+3}}{\sqrt{(n+2)(n+3)}}$$

Ou seja, a soma pode ser reescrita como

$$\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{g(n)}}{\sqrt{n}}=1+\sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{\sqrt{2n}+\sqrt{2n+1}}{\sqrt{2n(2n+1)}}$$

Mas vemos que o prazo nesta soma está diminuindo. Concluímos pelo teste de séries alternadas que a soma converge


EDIÇÃO SOLICITADA: Observe que

$$0\leq \left(\frac{\sqrt{2n}+\sqrt{2n+1}}{\sqrt{2n(2n+1)}}\right)^2=\frac{4n+1+2\sqrt{2n(2n+1)}}{2n(2n+1)}$$

$$\leq\frac{5n+2\sqrt{2n(2n+1)}}{2n(2n+1)}=\frac{5}{4n+2}+\frac{2}{\sqrt{2n(2n+1)}}$$

$$<\frac{5}{4n}+\frac{2}{\sqrt{2n(2n-n)}}=\frac{5}{4n}+\frac{2}{n\sqrt{2}}$$

$$<\frac{2}{n}+\frac{2}{n}=\frac{4}{n}\to 0$$


SEGUNDA EDIÇÃO SOLICITADA: Observe que

$$1=\frac{1}{1}$$

$$n=1:\ (-1)^1\frac{\sqrt{2\cdot 1}+\sqrt{2\cdot 1+1}}{\sqrt{2\cdot 1(2\cdot 1+1)}} =-\frac{\sqrt{2}+\sqrt{3}}{\sqrt{2}\sqrt{3}}=-\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{1}{\sqrt{3}}$$

$$n=2:\ (-1)^2\frac{\sqrt{2\cdot 2}+\sqrt{2\cdot 2+1}}{\sqrt{2\cdot 2(2\cdot 2+1)}} =\frac{\sqrt{4}+\sqrt{5}}{\sqrt{4}\sqrt{5}}=\frac{1}{\sqrt{4}}+\frac{1}{\sqrt{5}}$$

$$n=3:\ (-1)^3\frac{\sqrt{2\cdot 3}+\sqrt{2\cdot 3+1}}{\sqrt{2\cdot 3(2\cdot 3+1)}} =-\frac{\sqrt{6}+\sqrt{7}}{\sqrt{6}\sqrt{7}}=-\frac{1}{\sqrt{6}}-\frac{1}{\sqrt{7}}$$

$$\vdots$$

O lado esquerdo são os termos que encontramos, enquanto o lado direito são os termos originais.

J.G. Oct 14 2020 at 00:51

Para outra prova de convergência, podemos reescrever a soma com $a^{-1/2}=\pi^{-1/2}\int_0^\infty x^{-1/2}e^{-ax}dx$ Como$$\pi^{-1/2}\sum_{m\ge0}\int_0^\infty x^{-1/2}e^{-(4m+1)x}(1-e^{-x})(1-e^{-2x})dx=\pi^{-1/2}\int_0^\infty\frac{x^{-1/2}e^{-x}(1-e^{-x})}{1+e^{-2x}}dx.$$Para pequeno $x>0$, o integrando $\sim\tfrac12x^{1/2}$; para grande$x$, o integrando $\sim x^{-1/2}e^{-x}$.