Uma sequência é uma lista ordenada de números. Uma série é o que você obtém ao somar termos dessa lista. Neste tópico, PA significa progressão aritmética, PG significa progressão geométrica, PH significa progressão harmônica, e convergência pergunta se os termos ou as somas parciais se aproximam de um valor finito.

Se você precisa da versão curta: PA tem diferença constante, PG tem razão constante, e PH é uma sequência cujos recíprocos formam uma PA. Para séries geométricas infinitas, a soma existe apenas quando r<1|r| < 1.

Sequência vs. série: saiba qual pergunta você está respondendo

Se você escreve a lista

2, 5, 8, 11,2,\ 5,\ 8,\ 11,\dots

você tem uma sequência. Se você escreve a soma

2+5+8+11+2 + 5 + 8 + 11 + \dots

você tem uma série.

Essa diferença mostra qual ferramenta usar. “Encontre o nn-ésimo termo” é uma pergunta sobre sequência. “Encontre a soma dos primeiros nn termos” é uma pergunta sobre série.

PA, PG e PH: como identificar cada padrão

Progressão Aritmética (PA)

Uma PA varia pela mesma quantidade a cada passo. Se o primeiro termo é aa e a razão é dd, então

an=a+(n1)da_n = a + (n-1)d

e a soma dos primeiros nn termos é

Sn=n2[2a+(n1)d]S_n = \frac{n}{2}\left[2a + (n-1)d\right]

ou, de forma equivalente,

Sn=n2(a+an)S_n = \frac{n}{2}(a + a_n)

Exemplo: 4,7,10,13,4, 7, 10, 13, \dots é uma PA porque cada termo aumenta em 33.

Progressão Geométrica (PG)

Uma PG varia pelo mesmo fator a cada passo. Se o primeiro termo é aa e a razão é rr, então

an=arn1a_n = ar^{n-1}

e, para r1r \ne 1,

Sn=a(1rn)1rS_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}

Para uma série geométrica infinita, a soma existe apenas quando r<1|r| < 1. Nesse caso,

S=a1rS_{\infty} = \frac{a}{1-r}

Exemplo: 3,6,12,24,3, 6, 12, 24, \dots é uma PG porque cada termo é multiplicado por 22.

Progressão Harmônica (PH)

Uma PH é definida por meio dos recíprocos. Uma sequência não nula a1,a2,a3,a_1, a_2, a_3, \dots está em PH se

1a1, 1a2, 1a3,\frac{1}{a_1},\ \frac{1}{a_2},\ \frac{1}{a_3},\dots

for uma PA.

Então, se

1an=A+(n1)d\frac{1}{a_n} = A + (n-1)d

com denominador não nulo, então

an=1A+(n1)da_n = \frac{1}{A + (n-1)d}

Exemplo: 12,14,16,18,\frac{1}{2}, \frac{1}{4}, \frac{1}{6}, \frac{1}{8}, \dots é uma PH porque seus recíprocos 2,4,6,8,2, 4, 6, 8, \dots formam uma PA.

A PH é principalmente uma ideia de classificação na matemática escolar. Ao contrário de PA e PG, ela não vem com uma fórmula introdutória padrão de soma usada na maioria dos problemas básicos.

Convergência: quando um processo infinito tem um limite finito

Uma sequência converge se seus termos se aproximam de um limite fixo.

Por exemplo,

1n0quando n\frac{1}{n} \to 0 \quad \text{quando } n \to \infty

então a sequência (1n)\left(\frac{1}{n}\right) converge para 00.

Uma série converge se suas somas parciais se aproximam de um limite fixo. Se

Sn=a1+a2++anS_n = a_1 + a_2 + \dots + a_n

e os números SnS_n se aproximam de algum valor finito SS, então a série infinita converge para SS.

Esse é o ponto que muitos estudantes deixam passar: uma sequência convergente não produz automaticamente uma série convergente. Os termos tenderem a 00 é necessário para a convergência de uma série, mas essa condição sozinha não basta.

Por exemplo, a sequência harmônica

1, 12, 13, 14,1,\ \frac{1}{2},\ \frac{1}{3},\ \frac{1}{4},\dots

converge para 00 como sequência de termos, mas a série harmônica

1+12+13+14+1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \dots

não converge para uma soma finita.

Exemplo resolvido: teste uma PG e some a série infinita

Considere a série geométrica infinita

6+3+32+34+6 + 3 + \frac{3}{2} + \frac{3}{4} + \dots

Ela vem da PG

6, 3, 32, 34,6,\ 3,\ \frac{3}{2},\ \frac{3}{4},\dots

Aqui o primeiro termo é a=6a = 6 e a razão é

r=36=12r = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}

Como r=12<1|r| = \frac{1}{2} < 1, a série infinita converge. Sua soma é

S=a1r=6112=612=12S_{\infty} = \frac{a}{1-r} = \frac{6}{1-\frac{1}{2}} = \frac{6}{\frac{1}{2}} = 12

O passo principal é verificar a condição antes de usar a fórmula. Se r<1|r| < 1, uma série geométrica infinita converge. Se r1|r| \ge 1, ela não converge para uma soma finita.

Erros comuns com sequências, séries e convergência

Confundir um termo com uma soma

O termo a5a_5 e a soma S5S_5 não são o mesmo tipo de resposta. Um é um termo de uma lista. O outro é um total.

Usar o teste da diferença em uma PG

Se o padrão é multiplicar por 22, então ele é geométrico, mesmo que os números estejam aumentando de forma regular. Diferença constante e razão constante são testes diferentes.

Esquecer a condição de convergência para uma PG infinita

A fórmula

S=a1rS_{\infty} = \frac{a}{1-r}

funciona apenas quando r<1|r| < 1.

Achar que “os termos vão para zero” é suficiente

Para séries, isso é apenas uma primeira verificação. A série harmônica é o contraexemplo clássico.

Tratar PH como “qualquer coisa com frações”

Uma PH não é apenas uma sequência de frações. Seus recíprocos precisam formar uma PA.

Onde PA, PG, PH e convergência são usadas

A PA modela uma variação aditiva constante, como guardar a mesma quantia todo mês. A PG modela multiplicação repetida, como crescimento composto ou decaimento repetido. A PH aparece na álgebra escolar e em problemas nos quais relações recíprocas são o padrão natural.

A convergência importa sempre que o processo é infinito ou muito longo. Ela aparece em séries infinitas, métodos de aproximação, finanças e tópicos posteriores como séries de potências e cálculo.

Tente um problema parecido

Considere a PG

8, 4, 2, 1,8,\ 4,\ 2,\ 1,\dots

Encontre a razão, depois decida se a série infinita 8+4+2+1+8 + 4 + 2 + 1 + \dots converge. Depois disso, compare com a PA 8,4,0,4,8, 4, 0, -4, \dots para ver como o teste de “diferença vs. razão” separa rapidamente os dois padrões.

Se quiser dar o próximo passo, tente criar sua própria versão com um primeiro termo e uma razão diferentes, e verifique a condição de convergência antes de calcular qualquer soma infinita.

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