Soluzione esercizi
Studia la serie Σn = 1
∞ 1 / (n(n+1)) sperimentalmente, congettura il valore della somma, e prova a dimostrare che converge a questo valore (idea: in base alle uscite congettura l'espressione del valore della somma di ordine n
in funzione di n, dimostra che la somma ha effettivamente questa espressione, e poi studiane il limite per n →∞).
È facile trovare (con Poligon o con Maple):
F(x) = 1/(x*(x+1))
[1,10] F SUM = 0.9090909090909091 = 10/11
[1,99] F SUM = 0.9899999999999997 = 99/100
[1,100] F SUM = 0.9900990099009898 = 100/101
e congetturare che la somma parziale (da 1 ad n) è n/(n+1) e che quindi la somma è 1.
Rinviamo alla NOTA 5 del seguente documento la dimostrazione
di questa congettura.
Studia la convergenza delle seguenti serie, prendendo, caso per caso, come h il numero naturale più piccolo per cui tutti i termini della serie sono definiti:
Σn = h
∞ (1 / log(n))
h = 2; con Maple il calcolo non viene svolto; posso provare a valutare la somma
al crescere del secondo estremo di integrazione e con
evalf(sum(1/ln(n), n=2..100)); evalf(sum(1/ln(n), n=2..1000));
evalf(sum(1/ln(n), n=2..10000)); ottengo rispettivamente 29.99143755,
177.4388009, 1245.948262 convincendomi delle divergenza, che in questo caso è
molto facile dedurre teoricamente: 1/log(n) > 1/n per n ≥ 2 e la divergenza viene dedotta
da quella di ∑n 1/n.
Σn = h
∞ (1 / (1+√n))
Vedi il punto 10 di questo documento
Σn = h
∞ ((2n)! / (n!)2)
Vedi il punto 8 di questo documento
Σn = h
∞ (2n+1 / nn)
h = 1; da Maple il calcolo non viene svolto simbolicamente, ma numericamente sì:
evalf(sum(2^(n+1)/n^n, n=1..infinity));
fornisce 6.741160310; la convergenza è molto rapida, infatti
evalf(sum(2^(n+1)/n^n, n=1..10)); e evalf(sum(2^(n+1)/n^n, n=1..11));
danno 6.741160294 e 6.741160309. La convergenza in questo caso è
facile da dedurre teoricamente: la serie equivale a
2·Σn = 1..∞ (2/n)n;
per n > 2 (2/n)n ≤ (2/3)n, e
Σn = 1..∞ (2/3)n è una serie geometrica convergente.
Σn = h
∞ (cos(nπ) / log(n))
h = 2; da Maple il calcolo non viene svolto simbolicamente, ma numericamente sì:
evalf(sum(cos(n*Pi)/log(n), n=2..infinity)); fornisce .9242998972;
la serie ha somma che converge oscillando: le somme per n da 2 a 2, da 2 a 3 e da 2 a 4 valgono rispettivamente
1.442695041, .5324558146, 1.253803335. La convergenza è abbastanza lenta:
da 2 a 1000 e da 2 a 1001 abbiamo le somme .9966770049 e .8519330709.
Scritta in maniera più "trasparente" la serie diventa
Σn = 2
∞ (-1)n/log(n);
la convergenza deriva dal fatto che si tratta di una serie a segni alterni con l'elemento
via via sommato che tende a 0.
Σn = h
∞ (n! / nn)
h = 1; da Maple il calcolo non viene svolto simbolicamente, ma numericamente sì:
evalf(sum(n!/n^n, n=1..infinity)); fornisce 1.879853862;
la serie converge velocemente:
da 1 a 20 abbiamo la somma 1.879853848.
La convergenza deriva dal fatto che nn cresce molto più rapidamente di n!
(vedi grafico a lato), cosa già vista nel primo modulo.
Per provare rapidamente la convergenza della somma possiamo comunque usare il criterio del rapporto:
an+1/an =
(n+1)!nn/((n+1)n+1n!) =
(n/(n+1))n = 1/(1+1/n)n → 1/e < 1.
Σn = h
∞ ((1+sin(n)) / n2)
Vedi il punto 7 di questo documento
Σn = h
∞ ((5n+1) / (n3+5))
h = 0; da Maple il calcolo non viene svolto simbolicamente, ma numericamente sì:
evalf(sum((5*n+1)/(n^3+5), n=0..infinity)); fornisce 3.966781448;
La convergenza deriva dal fatto che il termine via via sommato va a 0 come 1/n2
(vedi "limit comparison test").
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Studia la convergenza di:
∑ n = 1..∞ (-1)n+1 n / (10 n + 5)
Di fronte a questa serie Maple mi dà un messaggio come
1/15*hypergeom([2, 3/2],[5/2],-1) o uno simile;
se proviamo a calcolare la serie con evalf otteniamo un messaggio che ci fa capire che
la serie diverge; per altro se sommiamo i primi 100 e i primi 101 termini otteniamo
-0.02121266497 e 0.07829472419, se sommiamo i primi 1000 e i primi 1001 termini otteniamo
-.002143520864 e 0.07851486625, che ci fanno capire che la serie non converge.
La conferma teorica è semplice: il termine generico della serie non è un infinitesimo!
(i termini pari e i termini dispari tendono -1/10 e a 1/10;
se con Maple facessimo
limit ((-1)^(n+1)*n/(10*n+5),n=infinity); otterremmo −1/10..1/10
ad indicare questo fatto)
(sotto il grafico del termine generico e quello della somma)
∑ n = 1..∞ cos(π n) / n2
Di fronte a questa serie Maple mi dà un messaggio come
hypergeom([1, 1, 1],[2, 2],-1) o uno simile;
se proviamo a calcolare la serie con evalf otteniamo -0.8224670334;
le somme dei primi 20 e dei primi 21 termini sono -0.8212793783 e -0.8235469520,
che ci fanno capire che la convegergenza è molto rapida. La convergenza
è deducibile immediatamente dal fatto che il valore assoluto del termine
è 1/n2, e che quindi la serie dei valori assoluti converge. Ma bastava osservare che
si tratta di una serie a segni alterni [cos(πn) oscilla tra −1 e 1]
con il valore assoluto del termine n-esimo che tende a 0 decrescendo.
Per questo stesso motivo, ad es., ∑ n = 1..∞ cos(πn)/n
e ∑ n = 1..∞ cos(πn)/√n convergono (pur non convergendo le serie dei
loro valori assoluti).
∑ n = 3..∞ (-1)n / log(log(n))
Da Maple il calcolo non viene svolto simbolicamente, ma numericamente sì:
evalf(sum((-1)^n/ln(ln(n)), n=3..infinity)); fornisce -8.749551241;
provando a fare la somma per vari valori si vede che la convergenza è abbastanza lenta.
La convergenza è assicurata dal fatto che i segni dei termini si alternano e che
il termine generico tende a 0.
Arrotondare ("a mano") a meno di 1/100 ∑ n = 0..∞ (-1)n / n!
Con Maple otterremmo subito che la serie vale 1/e, che potremmo valutare numericamente in
0.367879441171442, e da qui potremmo trovare il valore cercato (0.37); ma non
è questo che vuole l'esercizio. A mano, eventualmente aiutandosi con Maple, con comandi come:
sum((-1)^n/n!,n=0..0);
sum((-1)^n/n!,n=1..1);
sum((-1)^n/n!,n=2..2);
, possiamo trovare l'epressione iniziale del polinomio
di Taylor:
1 − 1 + 1/2 − 1/6 + 1/24 − 1/120 + 1/720
.
È una serie a segni alterni coi termini via via sommati decrescenti in valore assoluto
(vedi), e quindi l'errore che si
commette approssimando la funzione con il polimonio
a0−a1+
+(−1)nan
è pari ad an+1. Nel nostro caso 1/120 < 1/100, quindi
1−1+1/2−1/6+1/24 = 0.375 è l'approssimazione cercata.
Se vogliamo una approssimazione a due cifre possiamo sicuramente prendere 0.37, in quanto
il termine successivo del polinomio (−120) è negativo.