SUCCESSIONI e SERIE NUMERICHE ο· SUCCESSIONE NUMERICA ο Si chiama successione numerica ogni funzione reale definita in un insieme del tipo {π β β|π β₯ π0 }, con π0 numero naturale. Parlando di successioni, solitamente denotiamo: - La variabile indipendente con π; - Il valore che la successione assume in un numero naturale π con il simbolo ππ chiamato termine nesimo della successione. - Lβimmagine della successione con {ππ }πββ (oppure {ππ }) Il grafico di una successione è costituito da infiniti punti isolati di coordinate (π, ππ ), con π β β, π β₯ π0 . ο· PROLUNGAMENTO DI UNA SUCCESSIONEο Diciamo che una funzione π è un prolungamento della successione {ππ } se π è definita nellβintervallo [π0 , +β) e si ha π(π) = ππ per ogni π β₯ π0 . ο· SUCCESSIONE MONOTONA ο Per verificare se una successione è monotona basta confrontare tra loro termini consecutivi. Più nel dettaglio, una successione {ππ } è: - CRESCENTE se e solo se ππ β€ ππ+1 per ogni π; - STRETTAMENTE CRESCENTE se e solo se ππ < ππ+1 per ogni π; - DECRESCENTE se e solo se ππ β₯ ππ+1 per ogni π; - STRETTAMENTE DECRESCENTE se e solo se ππ > ππ+1 per ogni π; Facciamo delle osservazioni: ο Se una funzione prolungamento di una successione è monotona, anche la successione lo è. ο Si potrebbe erroneamente pensare che la presenza del termine βoscillante β(-1)n implichi mancanza di monotonia; non è detto che sia così. ο Per βfarsi una ideaβ dellβandamento di una successione è utile esplicitarne i primi termini; tuttavia, ciò non è sufficiente a stabilire che la successione sia monotona. ο· SUCCESSIONI LIMITATE ο Dato che ogni successione è una funzione, ha senso parlare di successioni limitate inferiormente, limitate superiormente e limitate, nonché di estremo inferiore ed estremo superiore e di minimo e massimo di una successione. ο· PROPRIETÀ VERE DEFINITIVAMENTE ο Una proprietà ππ è vera definitivamente se ππ è vera per tutti gli n sufficientemente grandi, cioè se esiste π β β tale che la proprietà ππ sia vera per ogni π β₯ π. ο· SUCCESSIONI INFINITESIME ο Vediamo due casi: - NUMERI POSITIVI ο Una successione {ππ } di numeri positivi si dice infinitesima se per ogni π > 0 la disuguaglianza ππ < π è vera definitivamente. - NUMERI QUALSIASI ο Una successione {ππ } di numeri qualsiasi si dice infinitesima se la successione {|ππ |} è infinitesima. ο· SUCCESSIONI CONVERGENTI ο La successione {ππ } si dice convergente se esiste π β β tale che la successione {ππ β π} sia infinitesima. In tal caso diciamo che {ππ } converge ad π. ο· SUCCESSIONI DIVERGENTI ο Vediamo due casi: - DIVERGE POSITIVAMENTE ο Si dice che la successione {ππ } diverge positivamente se per ogni π > 0 la disuguaglianza ππ > π è vera definitivamente. - DIVERGE NEGATIVAMENTE ο Si dice che la successione {ππ } diverge negativamente se per ogni π > 0 la disuguaglianza ππ < βπ è vera definitivamente. ο· SUCCESSIONI REGOLARI e LORO LIMITI ο - Una successione si dice regolare se è convergente oppure divergente. - Una successione non regolare si dice irregolare o indeterminata. - Se la successione {ππ } è regolare, diciamo che {ππ } ha limite e scriviamo: π π π {ππ } è convergente lim ππ = { +β π π {ππ } diverge positivamente πββ ββ π π {ππ } diverge negativamente ο· LIMITI e LIMITATEZZA: NON CONFONDIAMOLI ο Sia {ππ } una successione regolare. - {ππ } converge βΉ {ππ } è limitata. - {ππ } diverge positivamente βΉ {ππ } è illimitata superiormente. - {ππ } diverge negativamente βΉ {ππ } è illimitata inferiormente. OSSERVAZIONE: Le implicazioni non possono essere invertite, in quanto: ο Esistono successioni limitate che non convergono; ο Esistono successioni illimitate superiormente che non divergono positivamente; ο Esistono successioni illimitate inferiormente che non divergono negativamente. ο· TEOREMA: REGOLARITÀ DELLE SUCCESSIONI MONOTONE ο Ogni successione monotona è regolare. Precisamente: 1. {ππ } crescente βΉ lim ππ = sup ππ πβ+β 2. {ππ } decrescente βΉ lim ππ = inf ππ πβ+β Cβè un COROLLARIO il quale afferma che: ο Supponiamo che la successione {ππ } sia monotona. Allora: 1. {ππ } converge βΊ {ππ } è limitata; 2. {ππ } diverge βΊ {ππ } è illimitata. ο· LIMITI E OPERAZIONI ALGEBRICHE ο Supponiamo ππ β π β β e ππ β π β β. Allora: - REGOLA DELLA SOMMA: ππ + ππ β π + π - REGOLA DELLA DIFFERENZA ππ β ππ β π β π - REGOLA DEL MULTIPLO: πππ β ππ (π β β) - REGOLA DEL PRODOTTO: ππ ππ β ππ 1 1 - REGOLA DEL RECIPROCO: β (π β 0) - REGOLA DEL RAPPORTO: ππ ππ ππ β π π π (π β 0) ο· PROPOSIZIONE: RECIPROCO DI UNA SUCCESSIONE INFINITESIMA ο Sia {ππ } una successione infinitesima. Allora: 1. {ππ } ha segno costante (definitivamente) β 1 { } diverge, positivamente o negativamente, a ππ seconda del segno di ππ . 2. {ππ } non ha segno costante (definitivamente) β SERIE NUMERICHE ο· SOMMA PARZIALE (o RIDOTTA) + SERIE DI TERMINE an ο Sia {ππ }πββ una successione di numeri reali. Definiamo la somma parziale (o ridotta) n-esima ponendo: - π0 β π0 - π1 β π0 + π1 - β¦ - ππ β π0 + π1 + β― + ππ = βππ=0 ππ La successione {ππ } si chiama serie di termine ππ . NOTA ο Se la successione {ππ } è definita solo per π β₯ π0 , conveniamo di porre ππ = 0 per π < π0 . Ne segue che in quanto diremo non sarà restrittivo supporre che la successione {ππ } sia sempre definita per ogni π β β. ο· SUCCESSIONE DELLE SOMME PARZIALI Sn ο La serie di termine ππ non è altro che la successione delle somme parziali ππ costruite a partire da ππ . Pertanto, la locuzione la serie di termine ππ è convergente/divergente positivamente/divergente negativamente/regolare/indeterminata equivale alla locuzione la successione delle somme parziali πΊπ costruite a partire da ππ è convergente/divergente positivamente/divergente negativamente/regolare/ indeterminata. Se la serie è regolare, il limite della successione {ππ } prende il nome di somma della serie e si denota con il seguente simbolo: +β β ππ 1 { } non ha limite. ππ ο· OPERAZIONI CON SUCCESSIONI DIVERGENTI ο Siano {ππ } e {ππ } successioni divergenti: - Se le due successioni divergono con lo stesso segno, la successione somma {ππ + ππ } diverge con lo stesso segno. - Se π β 0, la successione multiplo {πππ } diverge, con lo stesso segno di {ππ } se π > 0, con segno opposto se π < 0. - La successione prodotto {ππ ππ } diverge, positivamente se le due successioni divergono con lo stesso segno, negativamente se le due successioni divergono con segni opposti. 1 - La successione reciproco { } è infinitesima. ππ ο· TEOREMA: PERMANENZA DEL SEGNO ο Sia {ππ } una successione, sia π β β e si supponga ππ β π. π > 0 β ππ > 0 πππππππ‘ππ£πππππ‘π 1. π < 0 β ππ < 0 πππππππ‘ππ£πππππ‘π π β₯ 0 πππππππ‘ππ£πππππ‘π β π β₯ 0 2. π ππ β€ 0 πππππππ‘ππ£πππππ‘π β π β€ 0 Facciamo delle osservazioni: ο Se π = 0, non si può dire nulla sul segno di ππ . ο Le implicazioni in (1.) valgono anche se π = +β e π = ββ rispettivamente. ο Le conclusioni in (2.) sono le stesse anche se si suppone definitivamente ππ > 0 e ππ < 0 rispettivamente. ο· TEOREMA: CONFRONTO, O CONVERGENZA OBBLIGATA, O DEI CARABINIERI ο Siano {ππ }, {ππ }, {ππ } tre successioni tali che: - ππ β€ ππ β€ ππ definitivamente; - {ππ } e {ππ } convergono a uno stesso limite a. Allora anche {ππ } converge ad a. GENERALIZZANDO: ο {ππ } limitata, {ππ } infinitesima β {ππ β ππ } infinitesima; ο {ππ } limitata, {ππ } divergente π β { π} ππ infinitesima; ο· TEOREMA: DIVERGENZA OBBLIGATA ο Siano {ππ } e {ππ } successioni tali che ππ β€ ππ definitivamente. Allora: - {ππ } diverge positivamente β {ππ } diverge positivamente; - {ππ } diverge negativamente β {ππ } diverge negativamente; GENERALIZZANDO: ο {ππ } divergente, {ππ } limitata β {ππ ± ππ } divergente. ο {ππ } divergente, {ππ } convergente e non infinitesima β {ππ β ππ }, {ππ /ππ } divergenti. ο· FORME DI INDECISIONE ο Né le regole algebriche né le loro generalizzazioni permettono di determinare a priori il limite nei seguenti casi, che chiamiamo FORME DI INDECISIONE: - Differenza di successioni che divergono con lo stesso segno (forma +β β β); - Prodotto di una successione infinitesima per una divergente (forma 0 β β); - Rapporto di due successioni divergenti (forma β/β); - Rapporto di due successioni infinitesime (forma 0/0). π=0 ο· CARATTERE DI UNA SERIE ο Studiare il carattere di una serie significa stabile se essa converge, diverge o è indeterminata. Se ππ = ππ definitivamente, le serie di termini ππ e ππ hanno lo stesso carattere. Tuttavia, se entrambe convergono, in genere le rispettive somme non sono uguali. Si usano i seguenti simboli per denotare la serie di termine ππ (indipendentemente dal fatto che essa sia regolare o no): +β β ππ ππππ’ππ β ππ π=0 π ο· CONDIZIONE NECESSARIA PER LA CONVERGENZA DI UNA SERIE ο Se la serie di termine ππ converge, allora la successione {ππ } è infinitesima; lβimplicazione contraria è falsa. [In pratica: la condizione ππ β 0 è necessaria ma non sufficiente per la convergenza della serie di termine ππ ]. ο· SERIE TELESCOPICHE ο Una serie si dice telescopica se il suo termine può essere scritto nella forma ππ = ππ β ππ+1 oppure ππ = ππ+1 β ππ . La somma parziale n-esima è ππ = π0 β ππ+1 oppure ππ = ππ+1 β π0 . 1 - Lβesempio più importante è ππ = che π(π+1) prende il nome di SERIE DI MENGOLI; essa converge ed ha somma uguale a 1. ο· SERIE GEOMETRICHE ο Sia π β β. Si chiama serie geometrica di ragione π la serie di termine ππ = ππ con π β₯ 0. La serie geometrica di ragione π: 1. È indeterminata per π β€ β1; 2. Diverge positivamente per π β₯ 1; 1 3. Converge per β1 < π < 1 e la sua somma è . 1βπ ο· OPERAZIONI CON LE SERIE ο Due operazioni: - SOMMA DI SERIE ο οSe la serie di termine ππ converge ed ha somma A e la serie di termine ππ converge ed ha somma B, la serie di termine ππ + ππ converge ed ha somma π΄ + π΅. οSe la serie di termine ππ diverge positivamente e la serie di termine ππ converge o diverge positivamente, la serie di termine ππ + ππ diverge positivamente. - MULTIPLO DI SERIE ο οSe la serie di termine ππ converge e ha somma π΄ e π è una costante, la serie di termine πππ converge ed ha somma ππ΄. οSe la serie di termine ππ diverge e π β 0 è una costante, la serie di termine πππ diverge, positivamente o negativamente a seconda del modo in cui la serie di termine ππ diverge e del segno di π. 1 ο· CRITERI DI CONVERGENZA ο Siano ππ β βππ=1 e 1 1 1 π ππ β βππ=1 2 . Le serie di termini e 2 hanno π π π caratteri diversi. - Si stabilisce il carattere della serie attraverso un argomento indiretto (βcriterioβ); - Stabilito che la serie è convergente, si calcoa un valore approssimato della somma (mediante una βstima del restoβ). ο· RESTO n-ESIMO DI UNA SERIE ο Supponiamo che la serie di termine ππ converga. Siano ππ e π la somma parziale n-esima e la somma della serie. Definiamo il resto n-esimo: π π β π β ππ (= ππ+1 + ππ+2 + β― ). Esso rappresenta lβerrore che si commette sostituendo alla somma π la somma parziale ππ . ο· STIMA DEL RESTO n-ESIMO ο Non siamo in grado di scrivere esplicitamente il resto n-esimo di una serie convergente. In alcuni casi riusciamo però a stimarlo in termini di una quantità nota; ciò è sufficiente ad approssimare la somma della serie convergente commettendo un errore controllato. Se per un certo intero N si ha |π π | β€ πΌ, allora |π β ππ | β€ πΌ, ossia ππ β πΌ β€ π β€ ππ + πΌ Dato che ππ è calcolabile, lβequazione fornisce un intervallo al quale la somma S appartiene. Se riusciamo a stabilire in qualche modo che ππ approssima π per difetto [o per eccesso], otteniamo una approssimazione migliore di S, cioè un intervallo di ampiezza minore al quale S appartiene: [ππ β πΌ β€ π β€ ππ ] ππ β€ π β€ ππ + πΌ ο· SERIE A TERMINI POSITIVI ο La serie di termine ππ si dice a termini positivi se ππ β₯ 0 per ogni n; si dice a termini strettamente positivi se ππ > 0 per ogni n. - Sia ππ la somma parziale n-esima costruita a partire da una successione ππ β₯ 0. Risulta: ππ = ππβ1 + ππ β₯ ππβ1 Cioè la successione delle somme parziali {ππ } è monotona crescente. Come conseguenze abbiamo: οUna serie a termini positivi può solo convergere oppure divergere positivamente; οSe la serie converge, la somma parziale ππ approssima per difetto la somma S ed il resto π π è positivo. ο· SERIE ARMONICA ο La serie (a termine positivi) +β β π=1 1 ππ Converge se e solo se π > 1; in tal caso abbiamo: 1 0 β€ π π β€ (π β 1)ππβ1 - Per π = 1 la serie si chiama serie armonica. - Per π β 1 la serie si chiama serie armonica generalizzata di esponente π. ο· CRITERIO DEL CONFRONTO ο Siano {ππ } e {ππ } due successioni tali che 0 β€ ππ β€ ππ per ogni π β₯ π. - Se la serie di termine ππ converge, anche la serie di termine ππ converge e si ha: +β +β β ππ β€ β ππ π=π π=π Inoltre, detti π π e π πβ² il resto n-esimo della serie di termine ππ e ππ risulta 0 β€ π π β€ π πβ² . - Se la serie di termine ππ diverge, anche la serie di termine ππ diverge. ο· DIGRESSIONE: SERIE NUMERICHE e RAPPRESENTAZIONE DECIMALE ο Un allineamento decimale è una espressione della forma ±π0 β π1π2π3 β¦ dove π0 è un intero naturale e π1, π2, β¦ β {0, 1, 2, β¦ , 7, 8, 9}. Se lβallineamento decimale è infinito, otterremo: π1 π2 π3 ± (π0 + 1 + 2 + 3 + β― ) 10 10 10 Lβespressione appena scritta è la somma della serie numerica di termine ππ β ππ 10βπ . Un numero reale è irrazionale se e solo se il suo allineamento decimale è infinito non periodico. ο· SERIE A SEGNI ALTERNI (CRITERIO DI LEIBNIZ) ο Supponiamo che la serie di termine ππ sia a segni alterni, cioè che ππ = (β1)π ππ oppure ππ = (β1)π+1ππ con ππ β₯ 0. Se la successione {ππ } è decrescente e infinitesima, allora la serie di termine ππ è convergente. Detto π π il resto n-esimo della serie, otteniamo |π π | β€ ππ+1. ο· SERIE ARMONICA ALTERNATA ο La serie armonica alternata converge: +β β(β1)πβ1 π=1 1 1 1 1 = 1β + β +β― π 2 3 4 ο· OSSERVAZIONI SUL CRITERIO DI LEIBNIZ ο Facciamo alcune osservazioni: - Se {ππ } non è infinitesima, neppure {ππ } lo è e quindi si può concludere che la serie di termine ππ non converge. - Se i termini ππ non sono (definitivamente) positivi, oppure la successione {ππ } non è (definitivamente) decrescente, il criterio non è applicabile e la serie va studiata con altri strumenti. - Se le ipotesi ππ β₯ 0 e ππ+1 β€ ππ sono soddisfatte definitivamente, ossia per π β₯ π, si può ancora concludere che la serie di termine (β1)π ππ converge. La stima del resto è valida per π β₯ π. - Per provare la monotonia di {ππ } non basta guardare i primi termini! Possibili strategie: ο Ricorrere alla definizione (cioè verificare che la disuguaglianza ππ+1 β€ ππ è vera); ο Applicare il test di monotonia a una funzione prolungamento di {ππ }. ο· CONVERGENZA ASSOLUTA ο Si dice che la serie di termine ππ converge assolutamente se la serie di termine |ππ | converge. - Se la serie di termine |ππ | è convergente, anche la serie di termine ππ lo è e si ha: +β +β |β ππ | β€ β|ππ | π=0 ο· ο· ο· ο· π=0 Il viceversa non è vero, cioè esistono serie che convergono ma non convergono assolutamente. Si chiamo condizionalmente convergenti. CASO DI INDECISIONE NEL CRITERIO DEL RAPPORTO ο Se nel criterio del rapporto è L=1, non si può concludere una mazza sul carattere della serie. Per 1 esempio, per la serie armonica generalizzata β π si π ha πΏ = 1 indipendentemente d p; tuttavia, per alcuni valori di p essa converge e per altri diverge. CRITERIO DEL RAPPORTO ο Sia ππ β 0 definitivamente e supponiamo che esista (finito o infinito) |ππ+1| lim =: πΏ πβ+β |ππ | Se πΏ β [0, 1), la serie di termine ππ converge assolutamente. Se πΏ β (1, +β) βͺ {+β}, la serie di termine ππ non converge. CRITERIO PER DETERMINARE SE UNA SUCCESSIONE È INFINITESIMA ο Sia {ππ } una successione tale che ππ β 0 definitivamente. Se: |ππ+1| lim <1 πβ+β |ππ | Allora la successione {ππ } è infinitesima. FORMA DI INDECISIONE PER IL CALCOLO DEL LIMITE ο Per le seguenti successioni, il calcolo del limite presenta una forma di indecisione; applicando il corollario del criterio del rapporto possiamo verificare che sono tutte infinitesime: π>0 ππ - { π} π |π| > 1 π>0 - {ππ ππ } |π| < 1 ππ |π| > 1 - { } π! ππ - { } π! π! - { π} π π>0