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Matemáticas · Glosario

¿Qué es Radio de convergencia?

Definición 11.2 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 11 — Series de potencias

El radio de convergencia de ∑anzn\sum a_n z^n es

R=sup⁡{r≥0:(anrn) estaˊ acotada}∈[0, +∞].R = \sup\{r \geq 0 : (a_n r^n) \text{ está acotada}\} \in \intcc{0}{+\infty} .

Por el Lema 11.1: convergencia absoluta para ∣z∣<R\abs z < R (normal sobre subdiscos compactos) y divergencia —de hecho, términos no acotados— para ∣z∣>R\abs z > R. Sobre la circunferencia frontera puede ocurrir cualquier cosa (Ejercicio 11.2). En la práctica, RR se calcula con el criterio del cociente de d’Alembert sobre ∣an∣∣z∣n\abs{a_n}\abs z^n o por comparación.

Ejemplos

Ejemplo 11.3 (Un radio sin criterio del cociente)

¿Cuál es el radio de ∑sin⁡(n) zn\sum \sin(n)\,z^n? El cociente ∣sin⁡(n+1)/sin⁡n∣\abs{\sin(n+1)/\sin n} no tiene límite, pero la definición funciona directamente. R≥1R \geq 1: ∣sin⁡n∣≤1\abs{\sin n} \leq 1, luego (sin⁡n⋅rn)(\sin n\cdot r^n) está acotada para todo r<1r < 1 —de hecho, para r=1r = 1—. R≤1R \leq 1: basta con que sin⁡n↛0\sin n \not\to 0. Supongamos sin⁡n→0\sin n \to 0; la fórmula de adición

sin⁡(n+1)=sin⁡ncos⁡1+cos⁡nsin⁡1\sin(n+1) = \sin n\cos 1 + \cos n\sin 1

forzaría cos⁡n→0\cos n \to 0 (despejando cos⁡n\cos n, pues sin⁡1≠0\sin 1 \neq 0), en contra de sin⁡2n+cos⁡2n=1\sin^2 n + \cos^2 n = 1. Así pues, los términos sin⁡(n) 1n\sin(n)\,1^n no tienden a 00: la serie diverge en z=1z = 1 y R≤1R \leq 1. Conclusión: R=1R = 1. Moraleja: el radio es un enunciado sobre la acotación de ∣an∣rn\abs{a_n}r^n; nunca hace falta ningún límite de cocientes, y los argumentos de acotación zanjan casos que el criterio del cociente ni siquiera toca (compárese con los coeficientes oscilantes del Ejercicio 11.1).

Ejemplo 11.6 (Multiplicar por 11−x\frac{1}{1-x} suma los coeficientes)

Un producto de Cauchy contra la serie geométrica tiene un significado memorable: para toda ∑anxn\sum a_nx^n de radio R>0R > 0 y ∣x∣<min⁡(R,1)\abs x < \min(R, 1),

11−x∑n≥0anxn=∑n≥0(∑k=0nak)xn:\frac{1}{1-x}\sum_{n\geq0}a_nx^n = \sum_{n\geq0}\Bigl(\sum_{k=0}^{n}a_k\Bigr)x^n :

multiplicar por 11−x\frac{1}{1-x} sustituye los coeficientes por sus sumas parciales (convolución con la sucesión de unos). Ejemplo: ex1−x=∑nsnxn\dfrac{\eu^x}{1-x} = \sum_n s_n x^n con sn=∑k≤n1k!s_n = \sum_{k\leq n}\frac{1}{k!}, las sumas parciales de e\eu; compárese con el Ejercicio 11.11, donde el mismo producto con e−x\eu^{-x} codifica los recuentos de desarreglos. Moraleja: las operaciones sobre series de potencias son operaciones sobre sucesiones de coeficientes disfrazadas (multiplicar por 11−x\frac1{1-x}: sumar; multiplicar por xx: desplazar; derivar: multiplicar por nn y desplazar), un diccionario que el capítulo de funciones generatrices leerá con soltura.

Ejemplo 11.20 (La fórmula de Binet, ejecutada)

Sean φ=1+52\varphi = \frac{1+\sqrt5}{2} y ψ=1−52\psi = \frac{1-\sqrt5}{2}, las raíces de X2=X+1X^2 = X + 1; como φ+ψ=1\varphi + \psi = 1 y φψ=−1\varphi\psi = -1,

1−x−x2=(1−φx)(1−ψx).1 - x - x^2 = (1 - \varphi x)(1 - \psi x) .

Fracciones simples: buscando x(1−φx)(1−ψx)=A1−φx+B1−ψx\frac{x}{(1-\varphi x)(1-\psi x)} = \frac{A}{1 - \varphi x} + \frac{B}{1 - \psi x}, el término constante da A+B=0A + B = 0 y el coeficiente en xx da −Aψ−Bφ=1-A\psi - B\varphi = 1, luego A(φ−ψ)=1A(\varphi - \psi) = 1: A=15=−BA = \frac{1}{\sqrt5} = -B. Dos series geométricas después,

F(x)=15∑n≥0(φn−ψn)xn⟹Fn=φn−ψn5F(x) = \frac{1}{\sqrt5}\sum_{n\geq0} \bigl(\varphi^n - \psi^n\bigr)x^n \quad\Longrightarrow\quad F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt5}

por la unicidad de los coeficientes (Teorema 11.7). Como ∣ψ∣<1\abs\psi < 1, el término ψn5\frac{\psi^n}{\sqrt5} tiene valor absoluto <12< \frac12: FnF_n es el entero más próximo a φn5\frac{\varphi^n}{\sqrt5}. Moraleja: el radio 1φ\frac1\varphi de FF es el inverso de la raíz dominante; el crecimiento de los coeficientes y el radio de convergencia son la misma información leída en direcciones opuestas.

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