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Lição 16 — Séries de Potências

Séries de potências, raio e intervalo de convergência, operações term-a-term (derivação e integração). Representação de funções elementares.

Usado em: Cálculo 2 — Unidade 2 · USP MAT0112 · ITA MA-012

∑n=0∞cn(x−a)n,R=1lim sup⁡∣cn∣n,f′(x)=∑n=1∞ncn(x−a)n−1\sum_{n=0}^{\infty} c_n(x-a)^n,\quad R = \frac{1}{\limsup\sqrt[n]{|c_n|}},\quad f'(x)=\sum_{n=1}^\infty nc_n(x-a)^{n-1}

Uma série de potências centrada em aa converge para ∣x−a∣<R|x-a|<R (raio RR) e diverge para ∣x−a∣>R|x-a|>R. Nas extremidades, teste separadamente.

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Notação rigorosa, derivação completa, hipóteses

Definições e teoremas centrais

Definição

Uma série de potências centrada em aa é: ∑n=0∞cn(x−a)n=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+⋯\sum_{n=0}^\infty c_n(x-a)^n = c_0 + c_1(x-a) + c_2(x-a)^2 + \cdots

Raio de convergência

Fórmula de Hadamard: R=1lim sup⁡n→∞∣cn∣nR = \dfrac{1}{\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|c_n|}} (convencione R=0R=0 se lim sup⁡=∞\limsup=\infty; R=∞R=\infty se lim sup⁡=0\limsup=0).

Fórmula da razão (quando o limite existe): R=lim⁡n→∞∣cn∣∣cn+1∣R = \displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{|c_n|}{|c_{n+1}|}.

Teorema: a série converge absolutamente para ∣x−a∣<R|x-a| < R e diverge para ∣x−a∣>R|x-a| > R. Nas extremidades x=a±Rx = a \pm R, o comportamento deve ser testado individualmente.

Operações com séries de potências

Derivação term-a-term (para ∣x−a∣<R|x-a| < R): f′(x)=∑n=1∞ncn(x−a)n−1f'(x) = \sum_{n=1}^\infty nc_n(x-a)^{n-1}

Integração term-a-term (para ∣x−a∣<R|x-a| < R): ∫f(x) dx=C+∑n=0∞cnn+1(x−a)n+1\int f(x)\,dx = C + \sum_{n=0}^\infty\frac{c_n}{n+1}(x-a)^{n+1}

O raio de convergência é preservado em ambas as operações.

Séries de potências conhecidas

11−x=∑n=0∞xn,∣x∣<1\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^\infty x^n, \quad |x| < 1 ex=∑n=0∞xnn!,∣x∣<∞e^x = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}, \quad |x| < \infty sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!,cos⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!\sin x = \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}, \quad \cos x = \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n−1xnn,−1<x≤1\ln(1+x) = \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}x^n}{n}, \quad -1 < x \leq 1 arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1,∣x∣≤1\arctan x = \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}, \quad |x| \leq 1

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Raio e intervalo de convergência

Bloco B — Operações com séries

Bloco C — Nível ITA/USP

Para continuar

  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §11.8–11.9 — Cengage, 8ª ed.
  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 3, §9.7–9.8 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 1, §10.23–10.25 — Wiley, 2ª ed.
  • OpenStax — Calculus II, §6.1 — CC-BY (openstax.org)
  • Demidovich, B. — Problemas e Exercícios de Análise Matemática, §5.7 — Mir

Atualizado em 2026-05-28 · Autor(es): Clube da Matemática

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