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Note per Studenti Esercizio 120 · criterio di Leibniz con l'arcotangente

Esercizio 120criterio di Leibniz con l'arcotangente

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Testo. Studiare convergenza assoluta e semplice di

∑n=0+∞(−1)n+1arctan⁡nn+1\sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^{n+1} \frac{\arctan n}{n+1}


Sia an=arctan⁡nn+1a_n = \frac{\arctan n}{n+1}. Per n≥1n \ge 1 è an>0a_n > 0 (l'arcotangente di un numero positivo è positiva), e a0=0a_0 = 0: quindi an≥0a_n \ge 0 per ogni nn.

Convergenza assoluta

∑∣(−1)n+1an∣=∑an\sum |(-1)^{n+1}a_n| = \sum a_n. Per n→+∞n \to +\infty, arctan⁡n→π2\arctan n \to \frac\pi2, cioè arctan⁡n∼π2\arctan n \sim \frac\pi2 (una funzione che tende a un numero diverso da zero è asintotica a quel numero). Quindi

an∼π/2n=π2⋅1na_n \sim \frac{\pi/2}{n} = \frac\pi2 \cdot \frac1n

e la serie armonica ∑1n\sum \frac1n diverge: per il confronto asintotico ∑an=+∞\sum a_n = +\infty. La serie non converge assolutamente.

Convergenza semplice: criterio di Leibniz

La serie è alternata (an≥0a_n \ge 0, segni che si alternano). Si verificano le due ipotesi del criterio di LeibnizSe an≥0a_n \ge 0, an→0a_n \to 0 e ana_n è (definitivamente) decrescente, allora ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n converge.Serie a termini di segno variabile →.

(1) an→0a_n \to 0: an∼π2⋅1n→0a_n \sim \frac\pi2 \cdot \frac1n \to 0 ✓.

(2) ana_n decrescente? Attenzione: l'asintotico π2⋅1n\frac\pi2 \cdot \frac1n è decrescente, ma questo non implica che ana_n lo sia. Bisogna dimostrarlo sulla ana_n data. E non è ovvio: il numeratore arctan⁡n\arctan n cresce, il denominatore n+1n + 1 cresce anche lui; chi vince?

Metodo: si mette xx al posto di nn, f(x)=arctan⁡xx+1f(x) = \frac{\arctan x}{x+1}, e si dimostra che f′(x)<0f'(x) < 0 definitivamente per x→+∞x \to +\infty (una funzione con derivata negativa su un intervallo è decrescente lìPer f continua su [a,b] e derivabile in ]a,b[: f crescente ⇔ f' ≥ 0, f decrescente ⇔ f' ≤ 0; strettamente crescente ⇔ f' ≥ 0 e f' non nulla su nessun intervallo (basta f' > 0 tranne punti isolati: x³). Se f' cambia segno da + a − in x0, x0 è di massimo relativo stretto; da − a + di minimo. Vale anche nei punti di non derivabilità e negli estremi. Sono condizioni solo sufficienti: x²(2 + sin(1/x)).Test di monotonia e condizioni sufficienti per massimi e minimi →, e allora lo sono anche i suoi valori sugli interi).

Con la regola del quozienteDerivate delle funzioni elementari e delle loro inverse (arcsin, arctan, settcosh...) e regole di calcolo: linearità, prodotto (Leibniz), quoziente, funzione composta (regola della catena), funzione inversa, f(x)^g(x).Regole di derivazione →, e D(arctan⁡x)=11+x2D(\arctan x) = \frac{1}{1+x^2}:

f′(x)=11+x2(x+1)−arctan⁡x⋅1(x+1)2f'(x) = \frac{\frac{1}{1+x^2}(x+1) - \arctan x \cdot 1}{(x+1)^2}

Per x→+∞x \to +\infty: il primo pezzo del numeratore x+11+x2∼xx2=1x→0\frac{x+1}{1+x^2} \sim \frac{x}{x^2} = \frac1x \to 0, mentre arctan⁡x→π2\arctan x \to \frac\pi2. Quindi il numeratore tende a 0−π2=−π20 - \frac\pi2 = -\frac\pi2, e

f′(x)∼−π/2x2=−π2⋅1x2<0f'(x) \sim \frac{-\pi/2}{x^2} = -\frac\pi2 \cdot \frac{1}{x^2} < 0

Siccome f′(x)f'(x) è asintotica a una quantità negativa, è negativa definitivamente: ff è decrescente per xx grande, e quindi ana_n è definitivamente decrescente ✓.

Conclusione

Per il criterio di Leibniz la serie converge semplicemente, ma non assolutamente.

Controllo numerico (Python): a1≈0,393a_1 \approx 0{,}393, a2≈0,369a_2 \approx 0{,}369, a3≈0,312a_3 \approx 0{,}312, a10≈0,134a_{10} \approx 0{,}134: già dai primi termini ana_n decresce.

Errori comuni

  • Dedurre la decrescenza dall'asintotico: va dimostrata sulla ana_n data (qui con la derivata).
  • Fermarsi a "non converge assolutamente": la serie converge lo stesso, semplicemente.

Versione ripasso

Testo. Studiare convergenza assoluta e semplice di ∑n=0+∞(−1)n+1arctan⁡nn+1\sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^{n+1} \frac{\arctan n}{n+1}.

Convergenza assoluta

Consideriamo la serie dei valori assoluti ∑an\sum a_n con an=arctan⁡nn+1a_n = \frac{\arctan n}{n+1}. Poiché arctan⁡n∼π2\arctan n \sim \frac{\pi}{2} per n→+∞n \to +\infty: an∼π/2na_n \sim \frac{\pi/2}{n} La serie diverge per confronto asintotico con la serie armonica. La serie non converge assolutamente.

Convergenza semplice: criterio di Leibniz

Si applica il criterio di LeibnizSe an≥0a_n \ge 0, an→0a_n \to 0 e ana_n è definitivamente decrescente, allora ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n converge.Serie a termini di segno variabile →.

  1. Limite: an∼π/2n→0a_n \sim \frac{\pi/2}{n} \to 0 ✓.
  2. Decrescenza: Si studia f(x)=arctan⁡xx+1f(x) = \frac{\arctan x}{x+1}. Usando la regola del quozienteDerivate delle funzioni elementari e delle loro inverse (arcsin, arctan, settcosh...) e regole di calcolo: linearità, prodotto (Leibniz), quoziente, funzione composta (regola della catena), funzione inversa, f(x)^g(x).Regole di derivazione →: f′(x)=11+x2(x+1)−arctan⁡x(x+1)2f'(x) = \frac{\frac{1}{1+x^2}(x+1) - \arctan x}{(x+1)^2} Per x→+∞x \to +\infty: x+11+x2→0\frac{x+1}{1+x^2} \to 0 e arctan⁡x→π2\arctan x \to \frac{\pi}{2}, quindi il numeratore tende a −π2-\frac{\pi}{2} e f′(x)∼−π/2x2<0f'(x) \sim \frac{-\pi/2}{x^2} < 0. Poiché f′(x)f'(x) è definitivamente negativa, la successione ana_n è definitivamente decrescente ✓.

Conclusione: La serie converge semplicemente, ma non assolutamente.

Errori tipici:

  • Dedurre la decrescenza di ana_n solo dal fatto che l'asintotico 1n\frac{1}{n} è decrescente (va dimostrato sulla ana_n originale).
  • Confondere la mancanza di convergenza assoluta con la divergenza della serie.

Teoria collegata