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Serie numeriche e di potenze: sommare, convergere, controllare l’errore

Dalle somme parziali ai criteri di convergenza, dalle serie alternate ai raggi delle serie di potenze: esempi, errori da evitare e laboratorio interattivo.

Sezione: Analisi Aggiornato:

Serie: somme parziali e convergenza

Indice del percorso

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Serie numeriche e di potenze: sommare, convergere, controllare l’errore

35 min

Possiamo sommare infiniti numeri e ottenere un risultato finito? La risposta dipende dai termini e dal loro ordine. Partiamo da somme che sappiamo calcolare e arriviamo a criteri che permettono di decidere la convergenza anche senza conoscere una formula per il risultato. Il percorso si collega alle successioni e prepara una lettura più consapevole di Taylor.

Serie: somme parziali e convergenza · Indice del percorso

1. Termine, somma parziale e serie

Una successione è una lista ordinata a₁,a₂,… . La serie Σₙ₌₁∞aₙ si definisce tramite S_N=a₁+…+a_N. Non eseguiamo un’addizione infinita in un istante: studiamo il limite delle somme finite.

Σₙ₌₁∞aₙ=S ⇔ lim(N→∞) S_N=S, con S finito.

Per aₙ=1/2ⁿ i termini tendono a 0 e S_N tende a 1: sono due successioni diverse. Qui “convergente” significa limite finito; specificheremo se una serie non convergente tende a un infinito oppure oscilla.

2. La geometrica: una formula dimostrata

Con primo termine 1, S_N=1+q+…+qN−1, dove l’esponente finale è N−1. Moltiplichiamo per q e sottraiamo: (1−q)S_N=1−qᴺ. Per q≠1:

S_N=(1−qᴺ)/(1−q). Se |q|<1: S=1/(1−q), R_N=S−S_N=qᴺ/(1−q).

Con q=1/2: S_N=2−2¹⁻ᴺ e S=2. Dopo 10 termini l’errore è 1/512≈0,001953125; dopo 11 è 1/1024<0,001. Se il primo termine è A, moltiplichiamo tutto per A. Per q=1, S_N=N; per q=−1 le somme alternano 1 e 0. Il caso A=0 è sempre nullo.

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3. Un controllo necessario, non sufficiente

Se S_N→S, allora a_N=S_N−S_(N−1)→0. Quindi se aₙ non tende a 0 la serie non converge. Per Σn/(n+1), il termine tende a 1: fermiamoci subito, le somme crescono senza limite.

Il contrario è falso: la serie armonica Σ1/n diverge a +∞. Tra 2ᵏ⁻¹+1 e 2ᵏ ci sono 2ᵏ⁻¹ addendi almeno pari a 1/2ᵏ: ogni blocco aggiunge almeno 1/2. Nonostante 1/n→0, le somme superano qualsiasi soglia.

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4. La telescopica: cancellazioni nelle somme finite

Poiché 1/[n(n+1)]=1/n−1/(n+1), scriviamo prima la somma finita: S_N=(1−1/2)+(1/2−1/3)+…+(1/N−1/(N+1))=1−1/(N+1). Solo dopo passiamo al limite: S=1 e R_N=1/(N+1).

Per errore al più 0,01 bastano N=99 termini. Non stiamo cancellando informalmente due somme infinite divergenti: le cancellazioni avvengono dentro un’espressione finita.

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5. Confronti tra serie a termini positivi

Se definitivamente 0≤aₙ≤bₙ e Σbₙ converge, converge anche Σaₙ. Se Σaₙ diverge a +∞, diverge anche Σbₙ. Attenzione alla direzione: una serie più grande di una convergente può fare entrambe le cose.

Per n≥1: 0<1/(n²+3)≤1/n², quindi converge. Invece 1/(n+1)≥1/(2n), quindi diverge come l’armonica.

Con aₙ,bₙ>0, se aₙ/bₙ→L con 0<L<∞, le due serie hanno lo stesso carattere. Così (3n+1)/(n³+2) si confronta con 1/n²: il rapporto tende a 3. Il criterio decide la convergenza, non fornisce automaticamente la somma.

6. Criterio integrale e serie p

Se f è continua, positiva e decrescente per x≥1, la serie Σf(n) converge se e solo se converge l’integrale improprio ∫₁∞f(x)dx. Il confronto nasce dai rettangoli sotto e sopra il grafico. Non dice che serie e integrale abbiano lo stesso valore.

Σₙ₌₁∞1/nᵖ converge ⇔ p>1.

Per p>1, ∫₁∞x⁻ᵖdx=1/(p−1). Per 0<p≤1 l’integrale diverge; per p≤0 i termini non tendono neppure a zero. Il parametro p=1 è la soglia, non un caso da arrotondare.

Per p>1, il resto soddisfa (N+1)¹⁻ᵖ/(p−1)≤R_N≤N¹⁻ᵖ/(p−1). Aggiungendo questi estremi a S_N otteniamo un intervallo per la somma anche quando non ne conosciamo una formula esatta.

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7. Rapporto e radice: anche “non conclude” è un risultato

Se aₙ è non nullo da un certo indice e L=lim |aₙ₊₁/aₙ| esiste, L<1 dà convergenza assoluta, L>1 (anche infinito) dà divergenza. Per L=1 il criterio non conclude. Il criterio della radice usa L=lim ⁿ√|aₙ|, quando esiste, con le stesse conclusioni.

Per aₙ=3ⁿ/n!, il rapporto è 3/(n+1)→0: convergenza assoluta. Per aₙ=n!/3ⁿ il rapporto è (n+1)/3→∞: divergenza. Sia 1/n sia 1/n² danno invece L=1, ma la prima serie diverge e la seconda converge. Il valore 1 non è una risposta sulla serie.

Se i limiti non esistono non applichiamo queste versioni semplici del criterio: si può scegliere un altro confronto. Le versioni con limite superiore sono un approfondimento successivo.

8. Serie alternate e resto di Leibniz

Per Σ(−1)ⁿ⁻¹bₙ, con bₙ≥0 decrescente e bₙ→0, le somme pari crescono, quelle dispari decrescono e la distanza fra loro tende a 0. Convergono allo stesso S. Se la monotonia vale solo dopo un certo indice, i termini iniziali non cambiano la convergenza; la stima va usata nella coda dove valgono le ipotesi.

|S−S_N|≤b_(N+1). S è tra S_N e S_(N+1).

Per 1−1/2+1/3−… la somma è ln 2. Con N=99 l’errore è al più 1/100=0,01; con N=999 è al più 0,001. Cambiare segno non basta: bₙ deve tendere a zero e rispettare le ipotesi. La serie 1−1+1−… non converge nel senso ordinario delle somme parziali.

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9. Convergenza assoluta e condizionata

Se Σ|aₙ| converge, Σaₙ converge assolutamente e quindi converge. Se Σaₙ converge ma Σ|aₙ| diverge, la convergenza è condizionata. L’armonica alternata è condizionata; Σ(−1)ⁿ⁻¹/n² è assoluta perché Σ1/n² converge.

Per Σ(−1)ⁿ⁻¹/nᵖ: p>1 dà convergenza assoluta; 0<p≤1 dà convergenza condizionata; p≤0 dà termini che non tendono a zero. Una serie condizionata non può essere riordinata liberamente: cambiare l’ordine può cambiare la somma o distruggere la convergenza. Nel laboratorio si mantiene sempre l’ordine originale.

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10. Serie di potenze: centro, raggio ed estremi

Una serie Σₙ₌₀∞cₙ(x−a)ⁿ ha centro a e un raggio R, anche 0 o ∞: converge assolutamente se |x−a|<R e diverge se |x−a|>R. I due estremi, quando R è finito e positivo, si studiano separatamente sostituendoli nella serie. Al centro rimane c₀: il termine di ordine zero vale 1 anche per x=a.

Per Σxⁿ: R=1 e nessun estremo converge. Per Σₙ₌₁∞(−1)ⁿ⁻¹xⁿ/n: R=1, x=1 converge condizionatamente a ln 2, x=−1 diverge a −∞. Per Σₙ₌₁∞xⁿ/n²: R=1 ed entrambi gli estremi convergono assolutamente. Lo stesso raggio non significa lo stesso intervallo.

Σxⁿ/n! ha R=∞ e rappresenta eˣ. Σn!xⁿ ha R=0: per x≠0 il rapporto dei valori assoluti è (n+1)|x|→∞; in x=0 resta il solo termine costante 1. Nel calcolo del raggio si può usare rapporto o radice sui coefficienti quando i relativi limiti esistono.

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11. Dalle serie alle funzioni, senza perdere le ipotesi

All’interno del raggio si può derivare e integrare una serie di potenze termine a termine; il raggio resta lo stesso, ma il comportamento agli estremi può cambiare. Dalla geometrica, per |x|<1:

1/(1−x)=Σₙ₌₀∞xⁿ; derivando: 1/(1−x)²=Σₙ₌₁∞n xⁿ⁻¹. Integrando da 0 a x: −ln(1−x)=Σₙ₌₁∞xⁿ/n. Non estendiamo automaticamente queste identità ai bordi.

Taylor sceglie cₙ=f⁽ⁿ⁾(a)/n!. Avere tutte le derivate non basta a rappresentare f: occorre che il resto tenda a zero. Questo punto, il resto di Lagrange e quello di Peano sono sviluppati nell’articolo dedicato a Taylor, che segue questo capitolo nel percorso.

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12. Una procedura pratica e il laboratorio

  1. Scrivi il termine generale e controlla se tende a zero.
  2. Cerca una struttura nota: geometrica, telescopica, serie p.
  3. Per termini positivi scegli confronto, integrale, rapporto o radice, verificando le ipotesi.
  4. Per segni alterni controlla prima la convergenza assoluta, poi eventualmente Leibniz.
  5. Per una serie di potenze determina raggio e, separatamente, ciascun estremo.
  6. Solo dopo cerca la somma e una stima del resto: convergere non equivale a conoscere una formula esatta.

Il laboratorio offre nove famiglie guidate. N è il numero di addendi: per exp e geometrica di potenze si parte dall’indice 0 e si arriva a N−1. Il cursore mostra quanti addendi sono visibili; Avvia ne aggiunge uno al secondo. Cambia tra grafico dei termini e delle somme parziali.

La classificazione deriva dalle formule e dai criteri del caso, non dai punti disegnati. Una somma esatta è indicata solo quando predisposta; altrimenti può comparire un intervallo ottenuto dal resto. “Trova N” cerca una stima sufficiente entro 2000 termini: non trovarla non prova né divergenza né impossibilità. Le cifre sono arrotondate, non aritmetica intervallare certificata.

Esercizi: prova prima di aprire

1. Quanti termini di 1+1/2+1/4+… bastano per errore al più 0,001?

Mostra la soluzione ragionata

La somma è 2 e |R_N|=2¹⁻ᴺ. N=10 dà 1/512>0,001; N=11 dà 1/1024<0,001. Bastano 11 termini.

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2. Calcola Σ1/[n(n+1)] e controlla il resto dopo 99 termini.

Mostra la soluzione ragionata

S_N=1−1/(N+1), quindi S=1 e R_99=1/100=0,01. La cancellazione è dimostrata sulla somma finita.

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3. Confronta Σ1/n e Σ1/n².

Mostra la soluzione ragionata

Entrambi i termini tendono a zero, ma la prima serie diverge e la seconda converge: per le serie p la soglia è p>1.

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4. Il criterio del rapporto dà L=1: possiamo dire che la serie diverge?

Mostra la soluzione ragionata

No. Per 1/n e 1/n² il rapporto tende a 1, ma le serie hanno carattere diverso. Occorre un altro criterio.

5. Σ(−1)ⁿ⁻¹/√n converge assolutamente?

Mostra la soluzione ragionata

Converge per Leibniz, ma non assolutamente: Σ1/√n è una serie p con p=1/2≤1. È convergenza condizionata.

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6. Trova l’intervallo di Σ(−1)ⁿ⁻¹xⁿ/n, da n=1.

Mostra la soluzione ragionata

R=1. In x=1 si ottiene l’armonica alternata, convergente; in x=−1 si ottiene −Σ1/n, divergente. L’intervallo è (−1,1].

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7. Che cosa cambia per Σxⁿ/n²?

Mostra la soluzione ragionata

Resta R=1, ma entrambi gli estremi convergono assolutamente perché il valore assoluto dei termini è 1/n². L’intervallo è [−1,1].

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8. Qual è il raggio di Σn!xⁿ, partendo da n=0?

Mostra la soluzione ragionata

Per x≠0, |aₙ₊₁/aₙ|=(n+1)|x|→∞: diverge. In x=0 resta il termine costante 0!·x⁰=1. Quindi R=0 e l’unico punto di convergenza è 0.

Successioni · Taylor con resto

Riferimenti per approfondire