Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda bellrodo » 25/06/2017, 16:14

Ciao a tutti, un paio di giorni fa, ho scritto nella sezione del forum ( cerco/offro ) che cercavo del materiale (libri da acquistare o file da scaricare) su esercizi svolti, o con la sola soluzione, sulle serie di potenze nel campo complesso.
Non avendo ricevuto risposta e non avendo trovato del materiale adatto, ho pensato di postare un esercizio d'esame provando a risolverlo quì, con la speranza che qualcuno possa controllare se affronto l'esercizio nel modo corretto.

$\sum_{n=0}^\infty ((x+3)^n)/(3^n (n+1))$ , $x in CC$

Come prima osservazione, posso affermare che si tratta di una serie di centro $x=-3$.

Studio il raggio di convergenza $R$:

$|a_n|= |1/(3^n (n+1))| = 1/(3^n|n+1|) = 1/(3^n sqrt(n^2+1))$

$\lim_{n \to \infty}root(n)(|a_n|) = \lim_{n \to \infty}root(n)(1/(3^n sqrt(n^2+1))) = \lim_{n \to \infty}1/3 1/(n^2 +1)^(1/(2n)) = 1/3 $

Il raggio di convergenza $R=3$.
La serie converge puntualmente $AA x:|x+3|<3$
L'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$

Per $x=0$ la serie diventa: $\sum_{n=0}^\infty (3^n)/(3^n (n+1)) = \sum_{n=0}^\infty 1/(n+1)$ che diverge a $+oo$

Per $x=-3i$ la serie diventa: $\sum_{n=0}^\infty ((-3i+3)^n)/(3^n (n+1))$

$i)$ $\lim_{n \to \infty}1/(3^n (n+1))=0$ ;

$ii)$ $1/(3^n (n+1)) >= 0 AA n in NN$ ;

$iii)$ $f(n)=1/(3^n (n+1)) => f'(n)=(-3n^(n-1) (n+1)-3^n)/(3^n(n+1))^2$ ;

Quindi per il criterio di Leibniz la serie converge in $x=-3i$

In conclusione posso affermare che l'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$
e l'insieme di convergenza uniforme è $[-3i,k], AA -3i<=k<0$

E' corretto oppure ho combinato un disastro? :cry:
bellrodo
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda otta96 » 25/06/2017, 20:11

Ciao, la prima parte l'ho seguita, ma da un certo punto non capisco cosa intendi, cioè da qui:
bellrodo ha scritto:L'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$

Per $x=0$ la serie diventa: $\sum_{n=0}^\infty (3^n)/(3^n (n+1)) = \sum_{n=0}^\infty 1/(n+1)$ che diverge a $+oo$

Per $x=-3i$ la serie diventa: $\sum_{n=0}^\infty ((-3i+3)^n)/(3^n (n+1))$

$i)$ $\lim_{n \to \infty}1/(3^n (n+1))=0$ ;

$ii)$ $1/(3^n (n+1)) >= 0 AA n in NN$ ;

$iii)$ $f(n)=1/(3^n (n+1)) => f'(n)=(-3n^(n-1) (n+1)-3^n)/(3^n(n+1))^2$ ;

Quindi per il criterio di Leibniz la serie converge in $x=-3i$

In conclusione posso affermare che l'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$
e l'insieme di convergenza uniforme è $[-3i,k], AA -3i<=k<0$

E' corretto oppure ho combinato un disastro? :cry:

Cosa intendi con "L'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$"? Perché stai usando la notazione degli intervalli su $CC$?
Inoltre dici la serie converge puntualmente $AAx:|x+3|<3$, ma per $x=-3i$ non si verifica la disuguaglianza (nemmeno con $<=$!), quindi perché pensi possa convergere in $-3i$? Tra l'altro nello svolgimento ti sei completamente dimenticato del numeratore (e hai pure sbagliato a derivare $3^n$), quindi insomma un po' di pastrocchio l'hai fatto.
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda bellrodo » 25/06/2017, 21:50

Ciao otta96, grazie per la risposta.

otta96 ha scritto:Cosa intendi con "L'insieme di convergenza puntale è $[-3i,0)$"? Perché stai usando la notazione degli intervalli su $CC$?
Inoltre dici la serie converge puntualmente $AAx:|x+3|<3$, ma per $x=-3i$ non si verifica la disuguaglianza (nemmeno con $<=$!), quindi perché pensi possa convergere in $-3i$? Tra l'altro nello svolgimento ti sei completamente dimenticato del numeratore (e hai pure sbagliato a derivare $3^n$), quindi insomma un po' di pastrocchio l'hai fatto.


Perchè pensavo che quando ci sono i complessi il valore assoluto va trattato come modulo del numero complesso.
Allora ho risolto la disequazione $|x+3|<3$ come $sqrt(x^2+9)<3$ e ho ottenuto come soluzione $-3i<=x<0$ ma evidentemente ho fatto un grande errore.
Potresti aiutarmi a capire come procedere da quel punto in poi?
Cioè: una volta che ho trovato il raggio di convergenza della serie di potenze, che considerazioni devo fare?
Io pensavo che andavo trattate nello stesso modo delle serie reali :?
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda bellrodo » 26/06/2017, 10:12

Ok, mi sono reso conto di aver detto tante cose sbagliate... :?

Allora, di questo esercizio so che il centro della serie è $x=-3$ e il raggio di convergenza $R=3$ , quindi la serie converge puntualmente $AA x: |x+3|<3$.

Ponendo $x=z+iy$ si ha che la serie converge puntualmente in $sqrt((z+3)^2+y^2)<3$

Ovvero all'interno del disco $(z+3)^2+y^2<9$ di centro $z=-3$ e raggio $3$.

Arrivato a questo punto non so come continuare... Come faccio a stabilire se la serie converge anche sulla frontiera del disco?
Immagino che devo andare a sostituire alla serie di partenza determinati punti e poi studiare separatamente il carattere della serie, giusto? Se è corretto quello che ho appena detto, quali punti devo prendere in considerazione? :D
bellrodo
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda otta96 » 26/06/2017, 20:06

bellrodo ha scritto:Ok, mi sono reso conto di aver detto tante cose sbagliate... :?

Allora, di questo esercizio so che il centro della serie è $x=-3$ e il raggio di convergenza $R=3$ , quindi la serie converge puntualmente $AA x: |x+3|<3$.

Ponendo $x=z+iy$ si ha che la serie converge puntualmente in $sqrt((z+3)^2+y^2)<3$

Ovvero all'interno del disco $(z+3)^2+y^2<9$ di centro $z=-3$ e raggio $3$.

Arrivato a questo punto non so come continuare... Come faccio a stabilire se la serie converge anche sulla frontiera del disco?
Immagino che devo andare a sostituire alla serie di partenza determinati punti e poi studiare separatamente il carattere della serie, giusto? Se è corretto quello che ho appena detto, quali punti devo prendere in considerazione? :D

Ora si ragiona, ti sei accorto da solo di alcune cose che volevo dirti, ma rimane ancora in sospeso la convergenza sulla frontiera del cerchio centrato in $-3$ di raggio $3$.
Avevi già notato che per $x=0$ (che sta nella frontiera) la serie diverge, inoltre si nota che per $x=-6$ la serie converge per il criterio di Leibniz (verificalo!), per gli altri valori il criterio di Leibniz non è sufficientemente potente, ci serve una generalizzazione che forse conosci e si chiama criterio di Dirichlet (eccolo: https://it.wikipedia.org/wiki/Criterio_ ... matematica)), con questo (leggi la parte "convergenza di una serie di potenze") si conclude che l'unico punto (della frontiera) in cui non converge è 0.
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda bellrodo » 27/06/2017, 15:05

otta96 ha scritto:Ora si ragiona, ti sei accorto da solo di alcune cose che volevo dirti, ma rimane ancora in sospeso la convergenza sulla frontiera del cerchio centrato in $-3$ di raggio $3$.
Avevi già notato che per $x=0$ (che sta nella frontiera) la serie diverge, inoltre si nota che per $x=-6$ la serie converge per il criterio di Leibniz (verificalo!), per gli altri valori il criterio di Leibniz non è sufficientemente potente, ci serve una generalizzazione che forse conosci e si chiama criterio di Dirichlet (eccolo: https://it.wikipedia.org/wiki/Criterio_ ... matematica)), con questo (leggi la parte "convergenza di una serie di potenze") si conclude che l'unico punto (della frontiera) in cui non converge è 0.

Ok penso di aver capito tutto, grazie mille :D

Provo a riordinare le idee:

Per verificare la convergenza sul bordo del disco, devo studiare tutti i punti del cerchio $C={x in CC : | x+3|=3 }$
Per fare ciò, verifico se posso applicare il criterio di Dirichlet:

$i)$ la successione $b_n=1/(3^n(n+1))$ è infinitesima, poichè $\lim_{n \to \infty}b_n=0$;
$ii)$ la successione $b_n$ è non crescente, poichè: $f(n)=1/(3^n(n+1)) rArr f'(n)=(-n3^(n-1)(n+1)-3^n)/(3^n(n+1))^2$

Quindi posso sfruttare il criterio di Dirichlet, il quale mi garantisce che la serie di potenze converge in tutti i punti del disco tranne al più in $x+3=3$ ovvero in $x=0$.

Per $x=0$ la serie diventa: $\sum_{n=0}^\infty (3^n)/(3^n (n+1)) = \sum_{n=0}^\infty 1/(n+1)$ che diverge a $+oo$

In conclusione posso affermare:

Centro della serie $x=-3$;
Raggio di convergenza $R=3$;
Convergenza assoluta $AA x in {x in CC : | x+3|<3 }$;
Convergenza totale in ${x in CC : |x+3| <= rho},0<rho<3$;
Non converge se $x: |x+3|>3$;
Convergenza uniforme in ogni insieme chiuso contenuto in ${x in CC : |x+3|<=3}$ e non contenente il punto $x=0$;
Nel punto $x=0$ la serie diverge positivamente.

Corretto? :D
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda otta96 » 27/06/2017, 15:35

Quasi tutto bene, tranne che se leggi bene "convergenza di una serie di potenze" sulla pagina di Wikipedia, ti dice che il raggio di convergenza deve essere 1, che nel nostro caso non è, quindi che si fa? Semplice, adattiamo la nostra serie in modo da ottenere il raggio di convergenza 1, considerando $(x+3)/3=y$ la serie diventa $\sum_{n=0}^\infty y^n/(n+1)$ (probabilmente sarebbe stata la cosa migliore fare questo cambio di variabile fin da subito, te lo consiglio per futuri esercizi), alla quale possiamo applicare il criterio di Dirichlet con $b_n=1/(n+1)$.
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda bellrodo » 27/06/2017, 15:47

Perfetto, tutto chiaro :smt023 grazie ancora :D
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Re: Esercizio serie di potenze complesse

Messaggioda otta96 » 27/06/2017, 15:54

Perfetto :smt023
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