Somatórias e produtórias

Capítulo 8 Somatórias e produtórias 8. Introdução Muitas quantidades importantes em matemática são definidas como a soma de uma quantidade variável de parcelas também variáveis, por exemplo a soma + + + n, para algum inteiro n. Para estas situações, uma notação muito prática é a somatória (também chamada somatório ou notação sigma), introduzida por Joseph Fourier em 80. Nesta notação, a soma acima é escrita Em geral, a notação sigma tem a forma f() =m onde é uma variável arbitrária (o índice ou a variável indexadora), f() é uma fórmula qualquer que depende de, e m, n são inteiros que não dependem de. Esta notação nos diz para incluirmos na soma precisamente aqueles termos f() onde é um inteiro maior ou igual a m e menor ou igual a n, ou seja m n. Esta soma também pode ser escrita f() m n Costuma-se simplificar esta notação para m n quando a variável índice é óbvia pelo contexto. Observe que se f() tem o mesmo valor para dois (ou mais) índices diferentes entre m e n, esse valor deve ser somado duas (ou mais) vezes. Por exemplo, na somatória 4 (5 ), as parcelas são 4, 6, 6, 4; portanto a soma é 0. 5 f()

6 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS Uma variante mais geral da notação Σ é f() P() onde é a variável índice, e P é algum predicado sobre inteiros. Ela representa a soma de todos os valores f() tais que P() é verdadeiro. Esta forma é mais comum quando temos restrições mais complicadas sobre os índices, como por exemplo = + 3 + 5 + 7 + 9 (8.) 0 ímpar p primo p divide 40 p = + 5 + 7 (8.) 8. Somatórias básicas Algumas somatórias simples tem fórmulas explícitas. Por exemplo: = n (8.3) = = 3 = n(n + ) = n(n + )(n + ) 6 ( ) n + (8.4) (8.5) ( ) n(n + ) (8.6) n = n (8.7) Estas fórmulas podem ser demonstradas facilmente por indução sobre o valor de n (veja exercício 6.). 8.3 Manipulação de somatórias A notação Σ pode ser manipulada de várias maneiras. Em primeiro lugar, observe que a variável índice pode ser substituída por qualquer outra letra i, j, l,... que não tenha

8.3. MANIPULAÇÃO DE SOMATÓRIAS 7 significado definido no contexto. Podemos também trocar a variável indexadora por uma variável relacionada a ela de maneira biunívoca, com o intervalo de variação devidamente ajustado. Exemplo 8. Trocando a variável pela variável i =, temos n = Note que para modificar o intervalo da variável i usamos a equação i =, enquanto que para modificar o termo usamos a equação equivalente = i +. Exemplo 8. Podemos simplificar a somatória (8.) trocando a variável por i +, resultando em (n )/ (i + ) i+ Note que a equação (8.) não pode ser simplificada desta maneira, pois não se conhece uma fórmula explícita para os números primos. Damos a seguir mais algumas regras básicas. Nestas somatórias, K é um conjunto de inteiros, e f, g são funções de inteiros para números reais. Distributividade: K cf() = c K f() Esta propriedade nos permite mover fatores constantes (que não dependem da variável indexadora) para dentro ou para fora da somatória. Associatividade: K(f() + g()) = K f() + K A associatividade nos permite substituir uma somatória por duas somatórias sobre os mesmos índices, ou vice-versa. g() Decomposição do domínio: Se {K, K } é uma partição de K, então ( ) ( ) f() = f() + f() K K K Esta regra diz que podemos quebrar uma somatória em duas partes, desde que cada valor do índice apareça em exatamente uma das duas partes. Esta regra pode ser generalizada para partições do domínio K em qualquer número de partes.

8 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS Comutatividade: Se p é uma permutação qualquer de K, f(p()) K f() = K A comutatividade nos diz que podemos colocar os termos em qualquer ordem. Uma versão mais geral desta regra é Troca de domínio: Se p é uma função bijetora qualquer de K para um conjunto J Z, f(j) K f(p()) = j J Note que troca de variável, como as dos exemplos 8. e 8., são casos particulares desta regra. Exemplo 8.3 Seja x uma sequência qualquer de números reais, e considere a somatória n (x + x ). Usando as regras acima, podemos reescrever a somatória como segue: (x + x ) = x + x (8.8) n+ = = x i i= x (8.9) x i + x n+ x i= x (8.0) = x n+ x (8.) A identidade do exemplo 8.3 é conhecida como somatória telescópica porque uma parte de cada parcela está encaixada em (isto, é cancela) uma parte da parcela anterior, como ocorre com as peças de uma luneta. Podemos usar esta identidade para provar as fórmulas das somatórias de quadrados e cubos da seção 8.. Exercício 8. (Soma de PA) Calcule a somatória n (a + r), cujas n parcelas são parte de uma progresão aritmética com termo inicial a e passo r arbitrários. Exemplo 8.4 Para calcular a somatória n, observamos que ( + ) 3 = 3 + 3 + 3 +, portanto ( + ) 3 3 = 3 + 3 +. Temos então que (( + ) 3 3 ) = (3 + 3 + ) O lado esquerdo é uma soma telescópica, portanto temos (n + ) 3 = 3 + 3 +

8.3. MANIPULAÇÃO DE SOMATÓRIAS 9 ou seja Logo 3 n = (n + ) 3 3 n n = (n + ) 3 3n(n + )/ n = (n 3 + 3n + n)/ = (n(n + )(n + ))/6 Exemplo 8.5 Calcular a soma n ( + ). ( + ) = + (8.) = ( + + 3 + + n ) + ( + + 3 + + n) (8.3) = n(n + )(n + )/6 + n(n + )/ (8.4) = n(n + )(n + )/3 (8.5) Exemplo 8.6 Calcular a somatória n. Observe que = +. n = n (+ ) = n 0 = n Exercício 8. Calcule a somatória n b para um número real b arbitrário diferente de e 0. Observe que b = (b + b )/(b ). Exercício 8.3 Calcular a seguinte soma n /( + ) Exercício 8.4 (Soma de PG) Calcule a somatória n ar, cujas n parcelas são parte de uma progresão geométrica com termo inicial a e razão r arbitrários. Exemplo 8.7 Calcular a somatória n. Observe que =. = ( ) (8.6) = = = (8.7) n ( + ) (8.8) n n (8.9) n = n n (8.0) = n n ( n ) (8.) = n (n ) + (8.)

0 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS Exercício 8.5 Prove, por indução em n, que sin α = ( sin n α)( sin n+ α) sin α para todo n N, e todo ângulo α que não é um múltiplo inteiro de π. Exercício 8.6 Sejam F 0, F, F,...os números de Fibonacci, definidos recursivamente por F 0 = 0, F =, e F n+ = F n+ + F n para todo número natural n. prove pro indução que. Prove que ( n N) n i= F i = F n+. Prove que ( n N) n i= F i = F n F n+. Exercício 8.7 Sejam a e b número reais distintos. Prove que, para todo n em N, vale a igualdade: a i b n i = bn+ a n+ b a 8.4 Somas múltiplas Os termos de uma somatória podem ser especificados por dois ou mais índices, como no exemplo abaixo: f(j, ) = f(, ) + f(, 3) + f(, 4)+ (8.3) f(, ) + f(, 3) + f(, 4)+ j, f(3, ) + f(3, 3) + f(3, 4) j 3 4 Este mesmo exemplo pode ser também escrito usando duas vezes a notação Σ, isto é, como uma somatória de somatórias: f(j, ) = f(j, ) = (f(, ) + f(, 3) + f(, 4))+ (8.4) j 3 4 (f(, ) + f(, 3) + f(3, 4))+ j, (f(3, ) + f(3, 3) + f(3, 4)) j 3 4 ou então j, j 3 f(j, ) = 4 j 3 f(j, ) = (f(, ) + f(, ) + f(3, ))+ (f(, 3) + f(, 3) + f(3, 3))+ (f(, 4) + f(3, 4) + f(3, 4)) (8.5) 4 Podemos entender as fórmulas (8.4) e (8.5) como duas maneiras de somar todos os elementos de uma matriz: coluna por coluna ou linha por linha.

8.4. SOMAS MÚLTIPLAS 8.4. Mudança de ordem de somatórias As fórmulas (8.4) e (8.5) dizem que podemos trocar a ordem de duas somatórias, quando o domínio de cada variável é independente da outra variável: j J K f(j, ) = j J K f(j, ) = K f(j, ). j J Quando o domínio da soma interna depende da variável índice da somatória externa, a troca exige mais cuidado. Por exemplo, a j, = a j, = j= =j j n a j,. j= Para entender esta transformação, veja a figura 8.. Os pontos representam todos os pares (j, ) considerados na somatória central. As setas sólidas indicam a ordem descrita pela somatória dupla da esquerda (por linhas), e as setas tracejadas indicam a da direita (por colunas). n n Figura 8.: Duas maneiras de calcular uma soma dupla. O eixo horizontal é a variável, o eixo vertical é a variável j. 8.4. Distributividade generalizada Outra regra importante para somatórias duplas é a da distributividade generalizada, que permite trocar o produto de duas somatórias por uma somatória dupla. Para quaiquer

CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS conjuntos J, K Z, e quaisquer funções f : J R, g : K R ( )( ) f(j) g() = f(j)g() = f(j)g() (8.6) j J K j J K j J K 8.5 Majoração de somatórias Muitas vezes não precisamos saber o valor exato da somatória, basta saber limitante superior ou inferior. 8.5. Majoração dos termos Algumas vezes um bom limitante para o valor de uma somatória pode ser obtido limitando cada um de seus termos pelo termo de maior valor. Por exemplo: n + = + 3 + + n n = n. n Também podemos majorar cada termo da somatória por alguma outra fórmula cuja somatória é conhecida. Por exemplo, observe que, para todo N, temos Podemos então concluir que n + < + < n = n+. 8.5. Majoração por indução matemática No capítulo 6 discutimos a técnica de prova por indução matemática e vimos com usá-la para verificar uma fórmula explícita exata para o resultado de uma somatória. Esta técnica pode ser usada também para provar um limitantes superior ou inferior para uma somatória. Exemplo 8.8 Prove que existe uma constante c > 0 tal que para todo n N. Prova: 3 i c3 n

8.5. MAJORAÇÃO DE SOMATÓRIAS 3 A tese a ser provada tem a forma ( c > 0)( n N) P(n), portanto somente pode ser provada por indução se escolhermos um valor adequado para c. Para isso, podemos escrever um rascunho da demonstração da parte ( n N) P(n), por indução em n, deixando o valor de c em aberto; e depois escolher um valor de c que torna todas as partes dessa demonstração válidas. Base: para n = 0, a afirmação P(n) é 0 3 i = 3 0 = c Esta desigualdade será válida se c for maior ou igual a. Hipótese de indução: suponhamos que a desigualdade é verdadeira algum, ou seja 3 i c3 Passo de indução: temos de provar que a desigualdade e verdadeira para +, isto é temos que mostrar que: + 3 i c3 + Temos que + 3 i = Usando a hipótese de indução, temos Precisamos agora concluir que 3 i + 3 + + 3i c3 + 3 + = ( 3 + c )c3+ ( 3 + c )c3+ c3 + Isto é verdade se se c 3/. Portanto se escolhermos c = 3/, tanto a base quanto o passo da indução estarão corretos, e a afirmação ( n N) P(n) ficará provada. Fim.

4 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS 8.5.3 Majoração por integrais Uma somatória pode ser vista como uma versão discreta de uma integral. Algumas propriedades são de fato comuns aos dois conceitos: por exemplo, se f é um polinômio de grau g, tanto a somatória n f() quanto a integral n f(x) dx são polinômios (diferentes) de grau 0 g + na variável n. Se f é uma função exponencial, f(x) = Ar x, tanto a somatória quanto a integral são funções exponenciais ABr n + C (com valores diferentes de B e C). Muitas das regras para manipulação de somatórias (troca de variável, decomposição do domínio, associatividade, etc.) correspondem a regras para manipulação de integrais. Entretanto, encontrar uma fórmulas explícita para uma somatória pode ser mais difícil do que calcular a integral da mesma função. Um exemplo é a somatória n log, que ocorre na análise da eficiência de algoritmos importantes. A integral correspondente pode ser facilmente calculada (por integração por partes): b a x log xdx = b (log b ) a (log a ) para quaisquer a, b maiores ou iguais a. Entretanto, não se conhece uma fórmula explícita simples para a somatória. Porém podemos obter limitante superiores e inferiores para a mesma usando a fórmula da integral, como pode ser visto pelo gráfico da figura 8.. 0 5 f*(x) x log x 0 5 0-5 n- Figura 8.: Limitante superior por integral. Nessa figura, a linha em escada é o gráfico da função f (x) = x log x Observe que, para todo inteiro, esta função tem valor constante f (x) = log para todo

8.5. MAJORAÇÃO DE SOMATÓRIAS 5 x entre (inclusive) e + (exclusive). Temos portanto que + f (x) dx = log, e n n f (x) dx = log Por outro lado, como x x para todo x, e x log x é uma função crescente de x, podemos concluir que f (x) x log x para todo x maior ou igual a. Veja a figura. Temos portanto que n f (x) dx n x log x Ou seja n log n (log n ) ( log ) (8.7) Como log > 0 e log n < log n, podemos escrever também que n log n log n A mesma idéia fornece um limitante inferior para a soma, como ilustrado na figura 8.3. 30 5 fdisc(x+) fcont(x) 0 5 0 5 0-5 n- Figura 8.3: Limitante inferior por integral.

6 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS Observe que a função f deslocada de uma unidade para a esquerda (ou seja, f (x+)) está acima do gráfico de x log x para todo x, pois x + > x e portanto log x + > log x. Temos portanto que ou seja b a f (x + ) dx b+ log a+ Escolhendo a = e b = n, obtemos b a b a x log(x) dx x log(x) dx (8.8) n log n u log u du = (n ) (log(n ) ) + 4 Os limitante (8.7) e (8.9) permitem dizer que, por exemplo (8.9) 00 0068.3 log 055.5 Outra maneira de obter um limitante inferior é e observar que n log = log n log n e usar a desigualdade (8.8) para limitar a somatória n log. Tomando a = e b = n, temos n log n u log u du n log n = n (log n ) + 4 n log n = n log n n 4 n log n + 4 (8.30) Uma vantagem da fórmula (8.30) é que seu primeiro termo n log n é igual ao do limitante superior (8.7). Isso permite ver que a diferença entre os dois limitantes (que mede nossa incerteza sobre o valor da somatória) é = ( n log n n 4 = n log n log + 3 4 log + ) (n log n n 4 n log n + 4 ) (8.3) Exercício 8.8 Para todo número inteiro positivo n, o n-ésimo número hamônico é Prove que H n + ln n. H n = = + + 3... n. (8.3)

8.6. SOMAS INFINITAS 7 Exercício 8.9 Prove que, para todo n N, n H n + n. Exercício 8.0 Prove que, para todo inteiro n maior ou igual a, n H = nh n n. Exercício 8. Prove que, para todo inteiro positivo n, + ln n. Exercício 8. Encontre e prove um limitante superior para n 3. 8.6 Somas infinitas A notação Σ é também usada para somas infinitas, também chamadas de séries. Uma somatória infinita é o limite de uma somatória finita, quando o valor máximo da variável indexada tende para infinito. Ou seja, f() = lim n f() Observe que o limite pode não existir, ou pode ser infinito. Exemplo 8.9 Se x é um número real positivo, então Em particular, e x = lim n x n+ x = { /( x), se 0 x < +, se x = + + 4 + 8 +... = = + + 4 + 8 +... = + Séries são muito importantes no cálculo diferencial e integral, e são exaustivamente estudadas nessa disciplina. Em computação, somatórias finitas são mais comuns. Entretanto, séries infinitas ocasionalmente são úteis. Por exemplo, se f() 0 para todo N, temos que f() f()

8 CAPÍTULO 8. SOMATÓRIAS E PRODUTÓRIAS desde que a somatória infinita esteja definida. Esta desigualdade pode oferecer um limitante superior simples para uma somatória finita que não possui uma fórmula fechada simples. Por exemplo, z! z! = e z Exercício 8.3 Prove que ( ) = 0. Exercício 8.4 Encontre um limitante superior para a somatória: Exercício 8.5 Prove que n é limitado superiormente por uma constante. 8.7 Produtórias Sejam m, n números inteiros e f uma função definida sobre os inteiros. A notação 3. f() =m denota o produto dos valores f() para todos os inteiros tais que m n. Uma fórmula deste tipo é chamada de produtória ou produtório. Se não existe nenhum no intervalo especificado (isto é, se m > n), o valor desta fórmula é (e não zero!), por definição. Exercício 8.6 Calcule o valor da produtória + = +. Exercício 8.7 Dê fórmulas explícitas (sem nem... ) para o valor das produtórias abaixo:. 3. 3. 3 3 =m 4. m+ =m 3

8.7. 5. PRODUTÓRIAS 9 Muitos dos conceitos e técnicas que vimos para somatórias como troca de índices, separação de termos, mudança de ordem de enumeração, majoração de termos, provas por indução, etc. podem ser trivialmente adaptadas para produtórias. Exercício 8.8 Dê fórmulas explícitas (sem nem... ) para o valor das produtórias abaixo:.. 3. =m + m i= 3 i Uma produtória também pode ser transformada em somatória usando a função logaritmo ln x = log e x e a função exponencial exp x = e x, onde e é a constante neperiana.78888... Lembramos que ab = exp((ln a) + (ln b)) para quaiquer reais positivos a, b. Podemos então concluir que ( ) f() = exp ln f() =m Esta identidade pode ser usada, por exemplo para majorar produtórias por integrais. =m Exercício 8.9 Determine fórmulas explícitas para as produtórias 4 + ( )