Alcuni esercizi: foglio 3 Alessio Brancolini Lemma 1 (Una specie di criterio del rapporto.). Supponiamo an , bn > 0. Se definitivamente risulta an+1 bn+1 ≤ , an bn allora valgono le seguenti implicazioni: P P • n bn convergente =⇒ n an convergente; P P • n bn divergente. n an divergente =⇒ Dimostrazione. La successione an /bn è decrescente, quindi è limitata da una costante M ≥ an /bn . Si ha quindi X X an ≤ M bn n n da cui la tesi. Teorema 2 (Criterio di Raabe, parte I). Supponiamo che an > 0 e che definitivamente an n − 1 ≥ k > 1. an+1 P Allora la serie n an converge. Dimostrazione. Dalle ipotesi segue che an k ≥1+ . an+1 n Se si avesse una disuguaglianza del tipo k 1+ ≥ n 1 1 1+ n h (1) (con h > 1) si avrebbe an+1 ≤ an 1 (n+1)h 1 nh , e grazie al Lemma 1 dal confronto con le serie P armonica generalizzata (che è convergente) seguirebbe la convergenza di n an . Per avere una disuguaglianza del tipo di (1) basta ricordare che " # h 1 lim n 1 + − 1 = h. n→+∞ n Prendendo 1 < h < k (si può fare) si ottiene ## " " h 1 −1 =k−h>0 lim k − n 1 + n→+∞ n da cui definitivamente " " k−n 1 1+ n ## h −1 ≥0 cioè la (1). Teorema 3 (Criterio di Raabe, parte II). Supponiamo che an > 0 e che definitivamente an − 1 ≤ 1. n an+1 P Allora la serie n an diverge. Dimostrazione. Dalle ipotesi segue che an+1 ≥ an 1 n+1 1 n , quindi la tesi segue dal Lemma 1 e dal fatto che la serie armonica è divergente. Vi lascio qualche esercizio, più o meno difficile. Con questi si riesce a coprire più o meno tutti i criteri di convergenza, anche i più strani. Le dimostrazioni le trovate sul libro di Giusti, Esercizi e complementi di Analisi Matematica, Volume primo, Bollati Boringhieri. 2 Esercizio 4. Supponiamo an , bn > 0. Se vale la seguente condizione, lim sup n→+∞ an < +∞, bn cosa si può dire della convergenza (o divergenza) della serie P zione alla convergenza (o divergenza) di n bn ? E se invece P n an in rela- an >0 bn lim inf n→+∞ cosa vale? Esercizio 5. Supponiamo che 1 an k =1+ +O an+1 n n2 P P Dimostrare che se k > 1, allora n an converge e che se k ≤ 1, allora n an diverge. Suggerimento. Se k 6= 1, applicare il Criterio di Raabe. Se k = 1 considerare la serie il cui termine generale è dato da bn = 1 n log n e tentare un confronto tramite il Lemma 1. Esercizio 6. Supponiamo che k 1 an =1+ +O , r > 1. an+1 n nr P P Dimostrare che se k > 1, allora n an converge e che se k ≤ 1, allora n an diverge. Esercizio 7 (Formula di somma per parti). Siano an , bn successioni e siano n n X X An = ak , Bn = bk . k=1 dimostrare che n X k=1 k=1 a k b k = An b n + n−1 X k=1 3 Ak (bk − kk+1 ). Esercizio 8 (Criterio di Dirichlet). Sia sn = n X ck k=1 tale che |sn | ≤ M . Sia qk una successione positiva e decrescente. Posto allora σn = n X c k qk k=1 si ha |σn | ≤ M q1 . P In più se qk tende a zero allora k ck qk converge. Suggerimento. Usare la formula di somma per parti. Esercizio 9. Sia α > 0. Dimostrare che la serie X sin(nx) nα n è convergente per ogni x. Dimostrazione. Considerare la serie X exp(nx) nα n invece di quella originaria e usare il criterio di Dirichlet (il criterio di Dirichelt si applica anche quando ck è una serie di numeri complessi). Teorema 10 (Abel). Sia an una successione di numeri positivi, sia sn la P successione delle somme parziali. Allora n an è convergente se e solo se la serie X ak sk−1 k è convergente. 4