Mas o que deixou de ser abordado na grande generalidade desses cursos foi o estudo dos produtos infinitos, mesmo que só no caso numérico real.

Transcrição

1 Resumo. O estudo das séries de termos reais, estudado as disciplias de Aálise Matemática da grade geeralidade dos cursos técicos de liceciatura, é aqui estedido ao corpo complexo, bem como ao caso em que os termos da série são elemetos de espaços vetoriais, reais ou complexos. Aborda-se, por igual, o caso dos produtos ifiitos de termos reais, em geral ausetes daqueles programas, procurado mostrar o que existe de comum em todos estes temas. Na geeralidade dos cursos de liceciatura das áreas cietífica e técica, o âmbito das disciplias de Aálise Matemática, são estudadas as séries de termos reais, bem como as séries de potêcias, casos particulares das séries fucioais. O estudo das séries uméricas de termos ão reais, seja, por exemplo, o das séries de termos complexos, ou o das séries de termos vetoriais, está, de um modo muito geral, completamete ausete, o mesmo acotecedo com o estudo geral das séries de termos fucioais, sejam reais ou complexos. Mas o que deixou de ser abordado a grade geeralidade desses cursos foi o estudo dos produtos ifiitos, mesmo que só o caso umérico real. Acotece, porém, que é fortíssima a uidade doutriária subjacete a todos estes temas, de um modo muito geral assete as propriedades das séries de termos reais positivos. Como se sabe, o valor - ou soma - de uma série de termos reais positivos ão é o resultado da aplicação iterada da operação de adição de termos em R, porque a adição é uma operação que icide sobre um úmero fiito de parcelas, ao passo que a série evolve essa operação, mas sobre uma ifiidade umerável de parcelas. Este facto determia que à geeralidade das séries se ão possa atribuir um valor real. Nus casos, porque a série é divergete, outros, porque é simplesmete covergete. As operações cosetidas a adição de úmeros reais só estão presetes ao ível das desigadas séries absolutamete covergetes. Ora, o estudo de uma série de termos reais positivos há dois temas que são cetrais: por um lado, estudar a sua atureza, ou seja, saber se a série é divergete ou covergete, e, este caso, se é simplesmete covergete ou absolutamete covergete; por outro lado, e este último caso, determiar o seu valor. Ora, também para a geeralidade das séries deste último tipo ão é possível determiar o seu valor exato, embora se dispoha de critérios diversos para estimar um seu valor aproximado, e com um erro tão pequeo quato se queira. Esses critérios, em mui larga medida, ecotram-se ligados às propriedades usadas para determiar a atureza da série, sedo fáceis de aplicar. Cotudo, há o erro assim estimado, proveiete de se tomar para estimativa do valor da série a soma de um úmero fiito dos seus termos, e o que resulta dos cálculos realizados, ao ível estritamete umérico. Se a série for de termos reais egativos, basta estudar a série dos módulos dos seus termos - série modular -, sedo a mesma a atureza das duas séries.

2 No caso de uma série alterada, ao ível do sial dos seus termos, o Critério de Leibitz é o meio adequado ao seu estudo, embora só garata, o caso de covergêcia, que a mesma é simples, havedo que proceder ao estudo da correspodete série modular para se poder saber se essa covergêcia é também absoluta. Fialmete, o caso de uma série de termos reais - positivos, ulos e egativos -, há que estudar a respetiva série modular, ou recorrer a critérios comparativos, ou mesmo outros. Um tema há, porém, que raramete é hoje ilustrado, mormete usado exemplos, aquado do estudo das séries de termos reais, e que é o facto de uma série simplesmete covergete, por permutação adequada dos seus termos, poder ser coduzida a uma outra divergete, ou a uma que apresete um valor pré-fixado. Veja-se, etão, o caso da série harmóica alterada: ( = que pode mostrar-se, usado o Critério de Leibitz, ser covergete, embora seja simplesmete covergete. Admita-se que se pretede operar uma permutação dos termos desta série, por forma que o seu valor seja 0,6. Bastará, etão, cosiderar a ova série, obtida por permutação coveiete dos termos da dada: cuja sucessão de somas parciais é: , 0, 5, 0, 8( 3, 0, 58( 3, 0, 78( 3, 0, 49( 6, 0, 653, 0, 535, 0, 646,... que coverge alteradamete para o valor pré-fixado da série, 0,6. Mas admita-se agora que que se pretede operar uma permutação dos termos daquela série, de modo a que o seu valor seja, já ão 0,6, mas sim,. Bastaria, etão, operar sobre a série em causa a seguite ova permutação dos seus termos: e cuja sucessão de somas parciais coverge, de modo alterado, para,, como se pretedia. O que se fez, uma vez fixado o valor pretedido para a série, foi tomar para primeiro termo da mesma a soma do úmero míimo de termos positivos da dada, de molde a ultrapassar o valor requerido. Para segudo termo da ova série cosiderou-se a soma do úmero míimo de termos egativos da série iicial, de molde a que, somados com o primeiro termo, o resultado desça abaixo do valor pré-fixado. Como terceiro termo da ova série cosiderou-se a soma do úmero míimo de termos positivos da série iicial, de molde a que, somados com os dois primeiros termos, o resultado volte a ultrapassar o valor pré-fixado da série. E assim por diate.

3 Tal como referido atrás, há um tema que deixou de ser tratado as disciplias de Aálise Matemática dos atuais cursos de liceciatura, e que é o dos produtos ifiitos. Acotece que a sua doutria asseta, precisamete, o estudo da teoria das séries, pelo que a sua abordagem se tora muito simples. Assim como se desigou série de termos reais a etidade: u = sedo ( u uma sucessão de termos em R, produto ifiito de fatores reais é toda a etidade que possa reduzir-se à forma: u = u... u... = e ode ( u é uma sucessão de termos em R. E, tal como se dá com as séries, também a u se dá o ome de termo geral do produto ifiito. Este produto pode, com vatagem, escrever-se a forma: ( v = desde que se faça: ( u = u = v e ode v se desiga por fator geral do produto ifiito. À sucessão de termo geral: ( ( ( p = v v v dá-se o ome de sucessão de produtos parciais do produto ifiito dado, que será covergete se aquela o for, ou seja, se: lim p = p R sedo divergete o caso cotrário. No caso de covergêcia, o resultado do produto ifiito toma, como se passa com as séries, o ome de valor do produto ifiito. E o produto ifiito covergete: ( v diz-se absolutamete covergete se o for também o produto ifiito: = = [ v ]

4 e simplesmete covergete se este último for divergete. E assim como: lim u = 0 é uma codição ecessária de covergêcia de uma série: u = também: lim ( v = é uma codição ecessária de covergêcia do produto ifiito: ( v = o que permite cocluir que este será divergete se: lim ( v ou ão existir em R. A aplicação de logaritmos ao produto ifiito mostrará a razão de ser da vatagem de se substituir, o produto, u por v. Fialmete, a importatíssima relação etre as duas etidades matemáticas: v, ( v = = quado v 0, e que é o facto de ser a mesma a sua atureza: ou ambas covergetes, ou ambas divergetes. É o caso do produto ifiito: = = = que é divergete, dado que divergete é a série: que é a cohecida série harmóica. Iverso é o caso do produto ifiito: =

5 = = = que é covergete, uma vez que o é igualmete a série: = e ode, em qualquer dos casos, v 0. Por esta razão, o último produto ifiito é mesmo absolutamete covergete. Salta, pois, à vista a ligação profuda etre a doutria das séries de termos reais positivos e a dos produtos ifiitos de termos idêticos. E o mesmo se estede aos restates casos, com mui ligeiras difereças. Um outro tema, que ormalmete ão é abordado os cursos técicos de liceciatura, com algumas exceções, é o das séries de termos complexos. No fudo, trata-se de séries do tipo: z = ode ( z é uma sucessão de termos em C. É o caso, por exemplo, da série: e que também pode escrever-se a forma: i = ( i i i i ( ode cada termo da série é um elemeto de C. A doutria aplicável é em tudo idêtica à das séries de termos reais, sedo de salietar a sempre referete codição ecessária de covergêcia, a cuja luz, sedo a série covergete, se tem: lim z = 0 pelo que, sedo: lim z 0 a série é divergete. É o caso, por exemplo, da série: para a qual se tem: i =

6 pelo que a série cosiderada é divergete. Mas ote-se, cotudo, que a série aterior: é também divergete, embora se teha: lim z = lim i. i = 0 = 0 i = ( lim z i = lim. ( = 0 Cotiuam válidas as defiições de covergêcia simples e absoluta, sedo a série: z = absolutamete covergete se, sedo covergete, o for por igual a sua série modular: z = e simplesmete covergete se esta última for divergete. Importate é otar que, sedo: a série de termos em C: ( será covergete se o forem as séries: z = a ib a ib = a i b = = = a = e b = e divergete se uma destas, pelo meos, for divergete. Assim, a série de termos em C: = 8 i ( é covergete, visto que também o são as séries:

7 = 8 e = ( e sedo o seu valor: = Em cotrapartida, a série já referida: é divergete, dado que o é igualmete a série: que é a cohecida série harmóica. 8 i = i. ( 7 i = ( = O leitor estudioso e iteressado facilmete coseguirá adaptar às séries de termos em C a geeralidade da doutria cohecida das séries de termos reais. Por fim, o caso das séries de termos em R m, m N, sedo a respetiva extesão ao caso das séries em C m em tudo idêtica à operada a passagem do caso das séries de termos em R para as de termos em C. Ora, dá-se o ome de série de termos em R m, à etidade matemática do tipo: ( u m, u,..., u = ode ( j u, ( j perigo de cofusão, poderá escrever-se: =,..., m, são sucessões de termos reais. Simplificado, por ausêcia de u = ou u =. E uma tal série será covergete se o for a respetiva sucessão de somas parciais, ou seja, se for covergete a sucessão de termo geral: m m ( ( s = u,..., u u,..., u. Se assim for, ter-se-á: m ( lim s = u,..., u o que equivale a ter: m [ s ( u u ] = ( 0 0 lim,...,,...,

8 ou, o que é o mesmo, se se tiver: m ( lim s u,.., u = 0. E também aqui cotiuam válidos os coceitos de divergêcia, covergêcia, covergêcia simples e covergêcia absoluta. E também a codição ecessária de covergêcia de uma série, a cuja luz, se a série: for covergete, terá de ter-se: pelo que, sedo: ( u m, u,..., u = m ( ( lim u,..., u = 0,..., 0 R m m ( ( lim u,..., u 0,..., 0 R m a série cosiderada será divergete. Assim, a série de termos em R 3 : é divergete, uma vez que se tem: Ao cotrário, a série de termos em R 3 :,, e = 3 lim,, e (,, (,,. = =,, 8 ( é covergete, porque o são igualmete as séries:, 8, ( = = = como se sabe do estudo das séries de termos em R, sedo o valor daquela série o vetor de R 3 : =,, 8 ( = π 6, 7,.

9 Assim, uma série de termos em R m, m N : ( u m, u,..., u = será covergete se o forem as séries de termos reais: = j u com j =,..., m, e será divergete se uma, ao meos, dessas séries o for. Tora-se agora simples eteder o modo de tratar uma série do tipo: m ( z,..., z = de termos em C m, m N, visto que a respetiva covergêcia está depedete da covergêcia cojuta das séries de termos em C: = j z com j divergete. =,..., m, sedo a série divergete se uma das m últimas séries, ao meos, for Mostrou-se, pois, a profuda uidade doutriária existete o domíio das séries de termos vetoriais, sejam de compoetes reais ou complexas, bem como dos produtos ifiitos de fatores reais. É, o fudo, e com grade geeralidade, um só problema.