Una sucesión se puede definir como una lista de números escritos en orden definido:
El número es el primer término; , el segundo término y en general , es el n-ésimo término . Consideraremos sólo
sucesiones infinitas , de modo que cada término tendrá su sucesor .
,...
,
,...
,
,
2 31
a
a
a
na
1
a a2
n
a
n a
1
+
n a
Observemos que por cada entero positivo , n , hay un número correspondiente , y , por lo tanto , se puede definir una sucesión como una función cuyo dominio es el conjunto de los
enteros positivos
n
NOTACIÓN: la sucesión { } también se representa por
{ } , o bien
,... ,
, 2 3 1 a a
a
n
a { }an ∞n=1
Ejemplo1 Algunas sucesiones se pueden definir mediante una
fórmula del n-ésimo término . En los ejemplos que siguen presentamos tres descripciones de una sucesión:
+ + =
+ = 5 ,.... 1,...
4 , 4 3 , 3 2 , 2 1 1 a
1 1 n n
n n n n n n
( )
( )
( )
+ − − − + − = + − = ,... 2 1 ,...., 7 4 , 5 3 , 4 2 , 3 1 2 1 a 2 1 n 1 n n n n nn n n
En general , la notación
significa que los términos de la sucesión se pueden acercar a L tanto como se desee, con un valor de n lo bastante grande .
L
a
lim
nn→∞
=
{ }
anDEFINICIÓN: Una sucesión { } tiene el límite L , y se representa
si para toda ε > 0 , hay un entero N correspondiente , tal que
siempre que n > N
Si existe el se dice que la sucesión converge ( o que es convergente). Si no es así , se dice que la sucesión diverge (o que es divergente)
n
a
∞ → →
= ∞
→ a L o bien a L cuando n
lim n n
n
ε
<
−
L
a
nL a lim n
En ella los términos , se grafican en una recta numérica . No importa cuán pequeño se elija al intervalo
( L - ε ., L + ε ), existe una N tal que todos los términos de la sucesión , desde en adelante , deben estar en ese intervalo.
,.. ,
, 2 3
1 a a
a
1
+
N
a
Al comparar la definición anterior con la definición de límites al infinito, se advierte que la única diferencia entre
es que n ha de ser entero
L an =
∞ →
n
lim
L x
f ( ) = lim
( )
1
+
N
a aN+2
Teorema: Si y cuando n es un entero, entonces
L x f = ∞
→ ( )
lim
x f (n) = an
L an =
∞ → n
lim
En particular cuando r>0,
entonces cuando r>0,
0 1 lim
x→∞ xr =
0 1 lim
n→∞ nr =
DEFINICIÓN: significa que para todo número positivo M , hay un entero N tal que
> M cuando n > N
∞ =
∞ → an n
lim
OBS: Si , la sucesión { } es divergente ,
aunque en una forma especial . Se dice que { } diverge a .
∞ =
∞ → an n lim n a n a
∞
Algebra de límites para sucesiones
Si y son sucesiones convergentes y si c es una constante
(
)
(
)
b b a b a b a b a a c ca b a b a b a b alim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
lim
n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ≠ = ⋅ = = − = − + = + ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → ∞ → 0 si ) (Ejercicio: Determine si las siguientes sucesiones convergen o divergen
n n a
n n a
n n a
n n
an n n n ln
1 1
1 3
1 4
5
1 3
2 2 2
2
= +
− =
+ − =
+ − =
Teorema del Sandwich para sucesiones
Si para y si
entonces
n n
n b c
a ≤ ≤
0
n
n ≥ an = cn = L
∞ → ∞
→ n
nlim lim
L bn =
∞ →
nlim
Teorema
Si entonces lim 0 n→∞an =
0 lim
n→∞an =
Ejercicio: Determine si las siguientes sucesiones convergen o divergen
( ) ( ) a ( )
(
n n)
n a
a n
a n n
n
n n
n
n = − + −
− = −
=
= 2− 1n 1 1 2
¿Para qué valores de r converge la sucesión ?
{ }
rnLa sucesión es convergente si -1<r≤1, y divergente para los demás valores de r
{ }
nr
= < < =
∞
Ejercicio: Calcule los siguientes límites
( ) ( ) ( )
( )
(
)
∑
= ∞ →
−
∞ →
∞ →
+
+
+ +
+ +
+ +
+ +
n
j
n
n
j n
n
n
n n n
n n
1 2 n
1 2
n
2 2
2 2
n
1 lim
5
5 ... 5
5 1 lim
/ ...
/ 3 /
2 /
Definición: Una sucesión se llama creciente si para toda n≥1 y decreciente si para toda n≥1 y monótona si es creciente o decreciente
{ }
an1
+
≤ n
n a
a an ≥ an+1
Ejercicio: Pruebe que las sucesiones
son decrecientes
+
+ n 1
n
, 7 n
4
2
{ }
+2 n
2 -n , 5n
Definición: Una sucesión está acotada por arriba si existe un número M tal que
Está acotada por abajo si existe un número m tal que
Si está acotada por arriba y por abajo, es una sucesión acotada
{ }
an1 n toda para
≥
≤ M an
1 n toda para
≥
≤ an m
{ }
anTeorema: Toda sucesión convergente es acotada
Teorema: Toda sucesión acotada y monótona es convergente
Ejercicio : Demuestre el teorema
Ejercicio: Determine si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifique
a) Si es acotada entonces es convergente
b) S existe entonces es convergente
c) Si es acotada entonces
{ }
ann
a
∞ →
nlim
0 lim
2 n→∞ n =
an
{ }
anLímites Fundamentales
n lim ) IR a a lim ) IR k n kn lim ) r lim ) Z Z, q , pEjercicio :Determine tal que donde
1
lim 1
n <
+ ∞ → n
n
a a
{ }0 -IR ∈
x
n n
n n a
n
x !
=
Ejercicio :Determine para qué valores de el límite es menor que 1, siendo
{ }0 -IR ∈
x
n n a
a 1
nlim
+ ∞ →
n
n x
n
Al sumar los términos de una sucesión infinita ,
obtenemos una expresión de la forma
(1)
que se llama
serie infinita
o tan sólo serie , y se
representa con el símbolo
{ }
∞ =1n n
a
...
....
3 2
1
+
a
+
a
+
+
a
n+
a
∑
∞∑
=1
n a bien
o
n n
a
¿ tiene sentido hablar de la suma de una cantidad infinita de
Examinaremos las sumas parciales
4 3
2 1
4
3 2
1 3
2 1
2
1 1
a a
a a
s
a a
a s
a a
s
a s
+ +
+ =
+ +
=
+ =
=
y , en general,
∑
=
= +
+ +
= n
i i n
n a a a a a
S
1 3
2
1 ....
Estas sumas parciales forman una nueva sucesión , {sn} , que puede tener un límite o no. Si existe el (como número finito ) , entonces , decimos que es la suma de la serie
s s
lim n
n→∞ =
DEFINICIÓN; Dada una serie Sea sn el símbolo de su n-ésima suma parcial:
....,
3 2
1
1 = + + +
∑
∞n= an a a a∑
= =
= n
i i
n a
s
1
n
a a
a
a1 + 2 + 3 +....
Si la sucesión {sn} es convergente y si existe el como número real, la serie se llama convergente , y se escribe
s s
lim n
n→∞ =
∑
ans a
a
a1 + 2 +.... n +....= o bien
∑
∞=
= 1
i
n s
a
El número s se denomina suma de la serie . Si la serie no converge , es divergente. De lo anterior
∑
∞∑
= →∞ =
=
1 1
n
n
i
i n
n
lim
a
Ejemplo 1: La serie geométrica
∑
∞=
− = + + +
1
2 1
...
n
n
ar ar
a ar
converge si y la suma esr <1
1 r 1
1
1 <
− =
∑
∞=
−
r a ar
n
n
Ejercicio: Calcula la suma de la serie geométrica
4+ 8/5 + 16/25 +32/125 + ...
Ejercicio: Demuestre que las series
son convergentes y calcule su suma.
∑
∞=1 ( +1) 1
n n n
∑
∞
=14 2 −1 1
n n
Ejercicio: Determine si las series convergen o divergen
∑
∑
∞=
+ −
∞
=
+
1
1
0
1
8
3
5
4
n
n n
n n
n
Ejercicio: Demuestre que la serie armónica diverge
∑
∞=
+ + + + =
1
... 4
1 3 1 2 1 1 1
Teorema
Si la serie es convergente , entonces
∑
∞=1
n
n
a →∞ n = 0
nlim a
OBS: En general no es cierto el inverso del teorema .
Prueba de la divergencia
Si no existe , o si , la serie n diverge
nlim→∞a n→∞ n ≠ 0
a
lim
∑
∞
=1
n
n a
Ejercicio: Demuestra que la serie diverge.
∑
∞ 2TEOREMA:
Si y son series convergentes , también lo son las series ( donde c es una constante ) , y ,
∑
a
n∑
bn∑
can∑
(an +bn)∑
(an −bn)(
)
(
)
∑
∑
∑
∑
∑
∑
∑
∑
∞
=
∞
= ∞
=
∞
=
∞
= ∞
= ∞
= ∞
=
+
=
+
−
=
−
=
1 1 1
1 1 1
1 1
)
iii)
)
n n
n n
n n
n
n n
n n
n n
n n
n n
n
b
a
b
a
ii
b
a
b
a
a
c
ca
i
Ejercicio: Calcule la suma
∑
∞= − −
+
1 1
3
12
2
1
Ejercicios: Determina si las series son convergentes o divergentes. En caso de convergencia , calcula la suma.
∑
∞=
−
1
1
4 3 2
n
n 1
1
3 −
∞
=
∑
− n
n π
∑
∞
=1 2
1
n
e
n( )(
)
∑
∞=1
+
+
2
2
1
3
n
n
n
n
(
)(
)
∑
∞=1 3 − 2 3 +1
1
n n n
∑
∞
=
+
1
6
2
3
n n
n n
∑
∞=
+
1
1
2n
n
n
∑
∞=
+
1
2
5
ln
n
n
n
( )
(
)
∑
∞=1
−
+
))
1
/(
1
sen(
/
1
sen
nEjercicio: Calcule los valores de x para los cuales la serie converge. Calcule la suma de la serie para esos valores de x
(
)
5
3
3
2 0
0
∑
∑
∑
∞= ∞
= ∞
=
−
n n n n
n n n
n x
x x
∑
∞+=N 1
n n
a
∑
∞=1
n n
a
¿Si se sabe que la serie es convergente, entonces también lo es la serie ?
∑
∞+ =N 1n
n
a
∑
∞=1
n n
a
PRUEBA DE LA INTEGRAL:
Sean f una función contínua , positiva y decreciente en [1,∞) y
an = f(n) . Entonces , la serie es convergente sí y sólo sí
converge la integral impropia ; en otras palabras:
a) es convergente , entonces es convergente
b) diverge , entonces es divergente.
∑
∞=1 n
n
a
∫
∞
1
) (x dx f
∫
∞
1
) (x dx
f
∑
∞
=1
n n
a
∫
∞
1
) (x dx
f
∑
∞
=1
n n
La serie p, , es convergente si
p>1 , y divergente cuando ¿Para qué valores de p
es convergente la serie ?
∑
∞=1
1
n np
∑
∞=1
1
n np
1
≤
p
Ejercicio: Determine si las series convergen o diverge
∑
∞= −
1
2
n
n
ne
2
1 1
1 2
∑
∑
∞= ∞
= + n n
n
n
NOTA: Cuando se usa la prueba de la integral no es
necesario iniciar la serie o la integral en n=1. Por
ejemplo, en la prueba de las series.
(
)
( )
∑
∞= −∫
∞4
2 2
5 1
n n 4 x-5
1
usamos
Tampoco es necesario que f siempre sea decreciente. Lo
importante es que f sea decreciente cuando x sea mayor que determinado número N. Entonces
∑
∑
=∞ ∞=1
n N
n
e convergent
es a
tanto
lo por y e convergent
es
Ejemplo: La serie diverge
∑
∞
=1
ln
n n
En efecto, La función f(x)=(lnx)/x es positiva y continua cuando x>1. Además es decreciente para x>e pues
2
ln 1 ) ´(
x x x
f = −
y f ´(x)< 0 cuando ln x >1; esto es, x>e. Ahora podemos usar el criterio de la integral
( )
= = ∞
= =
∞ → ∞
→ ∞
→ ∞
∫
∫
2ln 2
ln ln
ln
1 2 1
1
t lim x
lim x
x lim
dx x
x
t t
t t
¿Del criterio de la integral, podemos inferir que
?
∑ ∫
∞= = ∞1 1
n
n f(x)dx
a
No debemos inferir que la suma de la serie es igual al
valor de la integral. Por ejemplo
∑
∞= =1
2 6
1
n n
π2
mientras que
1
1
1 2
=
PRUEBA DE COMPARACIÓN: Supongamos que
son series de términos positivos
a) Si es convergente y para todo n ,
entonces también converge.
b) Si es divergente y para todo n ,
entonces también lo es.
∑
an y∑
bn∑
bn an ≤ bn∑
an∑
b
n an ≥ bn∑
anPruebas de comparación
Ejercicio: Determine si las series convergen o diverge
2
ln
5
2
3
6
1 1
2
∑
∑
∞=+
+
∞=n
n
n
n
n
PRUEBA DE COMPARACIÓN DE LÍMITES
Supongamos que son series
con términos positivos.
∑
an y∑
bna) Si , ambas series convergen o divergenlim = > 0
∞
→ b c
a
n n n
∑
=
∞
→
0
y
b
nlim
n n
n
b
a
∑
an b) Si converge, entoncestambién
c) Si diverge, entonces también
=
∞
∑
∞
→
y
b
nlim
n n
n
b
a
Ejercicio: Determine si las series convergen o divergen
!
1
ln
3
5
3
1
1 1
1
∑
∑
∑
∞=+
∞= ∞=n n
n
n
n
n
n
4
3
1
2
3
1 3 10 2 2
1
2 4
2 3
∑
∑
∞=+
−
+
∞=−
−
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
∑
∑
∑
∞= ∞= ∞=+
1 5
1 3
1
4
ln
!
n n
n
n
n
n
n
n
n
Series Alternantes
Una serie alternante es aquella cuyos términos son positivos y negativos alternativamente
( )
( )
1
1
....
6
5
-5
4
4
3
-3
2
2
1
-1
....
6
1
-5
1
4
1
-3
1
2
1
-1
1 1
1
∑
∑
∞
= ∞
=
−
+
−
=
+
+
+
−
=
+
+
+
n
n n
n
n
n
n
Prueba de la serie alternante; Si la serie alternante satisface las condiciones
Nota el n-ésimo término de una serie alternante toma la forma
( )
-
b
a
( )
-
b
a
n=
1
n-1 no
bien
n=
1
n n0
2
1
1=
≤
+
n
n n
b
lim
)
do n
para to
Ejemplo: La serie armónica alternante
satisface las desigualdades
0 1 ) 1 1 1 ) 1 = = < + < ∞ → ∞ → + n lim b b n n b b a n n n n nlim porque
( )
∑
∞= − − = − + − + − 1 1 1 ... 5 1 4 1 3 1 2 1 1 n n nAsí que converge, según la prueba de la serie alternante.
Ejercicio: Compruebe si la serie es convergente o divergente
Convergencia absoluta
Definición:
La serie es
absolutamente
convergente
si la serie de valores absolutos
converge
∑
an∑
anEjemplo: La serie
es absolutamente convergente porque
Si es una serie de términos positivos, entonces y en este
caso convergencia absoluta es lo mismo que convergencia
∑
ann
n a
a =
( )
∑
∞= − −1
2 / 3
1
1
n
n
n
∑
∞ 3/2Definición:
Una serie se llama
condicionalmente
convergente
si converge pero no es absolutamente
convergente.
∑
anEjemplo: La serie armónica alternante converge, pero no es absolutamente pues la serie diverge
( )
∑
∞= − −1
1
1
n
n
n
∑
∞=1 1
n n
Teorema:
Si una serie es absolutamente
convergente, entonces converge.
∑
anEjemplo: La serie es absolutamente convergente, y por lo tanto convergente
∑
∞=1 2
2 sen
n n
¿Qué criterio podemos usar Para determinar si una serie es
absolutamente convergente?
Prueba de la razón
diverge a s lim si o lim Si b) converge) tanto lo por y ( e convergent nte absolutame es a s lim Si a) 1 n n n 1 n n n n n n n n n n erie la a L a erie la entonces L a
∑
∑
∞ = ∞ → ∞ → ∞ = ∞ → ∞ = > = < = , , 1 , 1Prueba de la raíz
( )
( )
(
( )
)
( )
( )
n
∑
∑
2n∑
∞ ∞ ∞ ∞ = ∞ = ∞ = + − − 1 1 2 2 1 ln 1 2 n n n n n n n n n n n arctann nSeries de Potencias
Una serie de potencias es aquella que tiene la forma
....
3 3 2
2 1
0 0
+ +
+ +
=
∑
∞= c x c c x c x c xn
n n
en donde x es una variable y las c
nson constanres,
llamadas coeficientes de la serie.
Una serie de potencias puede converger ante ciertos
valores de x y diverger ante otros. La suma de la serie
es una función
...
...
)
(
x
=
c
0+
c
1x
+
c
2x
2+
c
3x
3+
+
c
nx
n+
f
Para c
n=1 la serie de potencias se transforma en
la serie geométrica
x x
x x
x
x n
n
n
− = + +
+ +
+ + =
∑
∞= 11 ...
....
1 2 3
0
que converge cuando –1<x<1 y diverge cuando IxI
≥
1
De una manera más general, una serie de la forma
... )
( ....
) (
) (
) (
)
( 0 1 2 2 3 3
0
+ −
+ +
− +
− +
− +
= −
∑
∞= nn n
n
n x a c c x a c x a c x a c x a
c
Teorema:
Para una serie de potencias dada,
sólo hay tres posibilidades
i)
La serie sólo converge cuando x=a
ii) La serie converge para toda x.
iii) Hay un número positivo, R, tal que la serie converge
si Ix-aI<R , y diverge si Ix-aI>R
∑
∞= −0
) (
n
n n x a
c
El número R se denomina
radio de convergencia
de la
serie de potencias. Por convención, el radio de
convergencia es R=0 en el caso i) y R=
∞
en el caso iii)
El
intervalo de convergencia
de una serie de
Ejercicio:
Hallar el radio y el intervalo de
convergencia de cada una de las series
Representación de funciones como serie de potencias
¿Cómo representar una función como la suma de una serie de potencias?
Consideremos
1
IxI
<
=
+
+
+
+
+
+
=
−
∑
∞
=
,
...
....
1
1
1
0 3
2
n
n n
x
x
x
x
x
x
Ejercicio:
Deducir una representación en serie de
potencias de cada función y determina el intervalo de
convergencia
x
x f(x)
9. 4
3x 2 f(x)
8. 3
-x
x f(x)
7.
x 1
x 1 f(x) 6. x
4 1 f(x)
5. x
1 f(x)
4.
4x 1
1 f(x)
3. x
1 x f(x)
2. x
1 1 f(x)
2 2
2
2
2 3
16 .
1
2 4
+ −
= +
= =
− + = +
= +
=
+ = −
= +
=
Diferenciación e integración de series de potencias
∑
∞= − = + − + + − + − + − + = 0 3 3 2 2 10 ( ) ( ) ( ) .... ( ) ... ( )
) ( n n n n
n x a c x a
c a x c a x c a x c c x f
Teorema:
Si la serie de potencias tiene el radio de convergencia R>0, la función f definida pores diferenciable ( y en consecuencia continua) en el intervalo (a-R,a+R), y
∑
∞= − 0 ) ( n n n x ac
∑
∫
∑
∞ = + ∞ = − + − + = + − + − + − + = − = + − + − + = 0 1 3 2 2 1 0 1 2 3 2 1 1 ) ( .... 3 ) ( 2 ) ( ) ( ) ) ( .... ) ( 3 ) ( 2 ) n n n n n n n a x c C a x c a x c a x b a x nc a x c a x c c f a 0 c C f(x)dx ´(x)Observación:
Las ecuaciones a) y b) se pueden escribir
[
]
[
]
∑∫
∑
∫
∑
∑
∞
= ∞
=
∞
= ∞
=
−
=
−
−
=
−
0 0
0 0
)
(
)
(
)
)
(
)
(
)
n
n n
n
n n
n
n n
n
n n
dx
a
x
c
dx
a
x
c
d
a
x
c
dx
d
a
x
c
dx
d
c
Nota: Aunque el teorema establece que el radio de
convergencia no cambia cuando se diferencia o se integra una serie de potencias, esto no significa que el intervalo de convergencia no se altere. Puede suceder que la serie
Ejercicio
: La función de Bessel
está definida para toda x. Así según el teorema ,
J
0es diferenciable para toda x y su derivada se
determina por diferenciación término a término
( )
( )
∑
∞= −= 0
2 2
2 0
! 2
1 )
(
n
n
n n
n x x
J
( )
( )
∑
( )
( )
∑
∞=−
=
∞=−
−=
1
2 2
1 2
0
2 2
2
0
!
2
2
1
!
2
1
)
´(
n
n
n n
n
n
n n
n
nx
n
x
dx
d
x
Serie de Taylor y de Maclaurin
¿Qué funciones tienen representación como series de potencias?
¿cómo podemos deducir esas representaciones?
Supongamos que f es cualquier función representable mediante una serie de potencias
R a
x a
x c a
x c a
x c a
x c c
x
f n n
< − +
− +
+ −
+ −
+ −
+ =
... )
( ....
) (
) (
) (
) ( ) 1
( 0 1 2 2 3 3
Si x=a en la ecuación (1), obtenemos
Derivando la ecuación (1) se tiene
0
)
(
a
c
f
=
R
a -x
<
+ −
+ +
− +
− +
= 2 ( ) 3 ( ) .... ( ) − ... )
´( ) 2
( f x c1 c2 x a c3 x a 2 ncn x a n 1
Si sustituimos x=a en la ecuación (2), obtenemos
Derivando la ecuación (2) se tiene
1
)
´(
a
c
f
=
x a R
a x nc n
a x c c
x
f´´( ) = 2 + 2.3 ( − )+....+( −1) n( − )n− +... − < )
3
Derivando la ecuación (3) se tiene
x a R a
x c a
x c c
x
f´´´( ) = 2.3 + 2.3.4 ( − )+3.4.5 ( − ) +... − < )
4
( 3 4 5 2
Si sustituimos x=a en la ecuación (4), obtenemos
3
3
3
!
3
.
2
)
´´´(
a
c
c
f
=
=
Si continuamos diferenciando y sustituimos x=a , obtenemos
n
n
n
c
c
n
a
f
(
n)
(
)
=
2
.
3
.
4
.
5
...
.
=
!
Al despejar el n-ésimo coeficiente, cn , de esta ecuación, el resultado es
!
)
(
(
n
a
f
n
c
n)
Teorema:
Si f tiene una representación (desarrollo) en forma de serie de potencias en a, esto es silos coeficientes están expresados por la fórmula R a
x c x
f
n
n
n − <
=
∑
∞=
a -x
0
) (
) (
! ) (
(
n a f
n
c
n)
=
Luego, si f tiene un desarrollo en serie de potencias en a, ha de ser de la forma
´´ ´
) (
! ) ( )
(
3 2
0
) (
+ −
+ −
+ −
+ =
− =
∑
∞=
f f
f
a x n
a f
x
f n
n
n
´´(a) ´ (a)
La serie de la ecuación anterior se llama
serie de
Taylor de la función f en a .
En el caso especial en que a=0, la serie se
transforma en
.... ´´
´ )
0 (
! ) 0 ( )
(
3 2
0
) (
+ +
+ +
=
=
∑
∞=
x f
x f
x f
f
x n
f x
f n
n
n
3! ´´(0) ´ 2!
(0) 1!
(0)