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