Matemática, perguntado por Lukyo, 1 ano atrás

Calcule o somatório

\mathsf{\displaystyle\sum_{k=0}^n \frac{2^k}{(2^k+1)\cdot (2^{k+1}+1)}}

e expresse a fórmula fechada em função de n.

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Dica: Decomponha o somando em frações.

Soluções para a tarefa

Respondido por superaks
3
Olá Lukyo.


Calcule o somatório

\mathsf{\displaystyle\sum_{k=0}^n \dfrac{2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}

e expresse a fórmula fechada em função de n.

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Propriedades usadas

\star~\boxed{\boxed{\mathsf{\Delta a_k = a_{k+1}-a_k}}}\\\\\\\\\star~\boxed{\boxed{\mathsf{\displaystyle\sum_{k=p}^n \Delta a_k=a_{n+1}-a_p}}}

_______________________

Nessa expressão podemos notar a presença de termos consecutivos e semelhantes. Isso me induz a querer tentar desmembrar na diferença de termos consecutivos, para que eu possa aplicar a propriedade telescópica.


Organizando a expressão

\mathsf{\dfrac{2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}

Some e subtraia \mathsf{2^k}

\mathsf{\dfrac{2^k+2^k-2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}\\\\\\\mathsf{\dfrac{2\cdot2^k-2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}\\\\\\\mathsf{\dfrac{2^{k+1}-2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}

Some e subtraia \mathsf{2^k\cdot2^{k+1}}

\mathsf{\dfrac{2^{k+1}-2^k+2^k\cdot2^{k+1}-2^k\cdot2^{k+1}}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}\\\\\\\mathsf{\dfrac{2^k\cdot2^{k+1}+2^{k+1}-2^k\cdot2^{k+1}-2^k}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}

Coloque \mathsf{2^{k+1}} e \mathsf{2^k} em evidência

\mathsf{\dfrac{2^{k+1}\cdot(2^k+1)-2^k\cdot(2^{k+1}+1)}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}\\\\\\\mathsf{\dfrac{2^{k+1}\cdot(2^k+1)}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}-\dfrac{2^k\cdot(2^{k+1}+1)}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}

Simplifique os fatores comuns \mathsf{2^{k}+1} e \mathsf{2^{k+1}+1}

\mathsf{\dfrac{2^{k+1}\cdot(2^k+1)}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}-\dfrac{2^k\cdot(2^{k+1}+1)}{(2^k+1)\cdot(2^{k+1}+1)}}\\\\\\\mathsf{\dfrac{2^{k+1}}{(2^{k+1}+1)}-\dfrac{2^k}{(2^k+1)}}}}

Obtemos a diferença de dois termos consecutivos.

\mathsf{Tomando~a_k=\dfrac{2^k}{2^k+1}},

Pela propriedade telescópica, temos

\mathsf{\displaystyle\sum_{k=0}^n a_{k+1}-a_k=\displaystyle\sum_{k=0}^n\dfrac{2^{k+1}}{2^{k+1}+1}-\dfrac{2^k}{2^k+1}=\dfrac{2^{n+1}}{2^{n+1}+1}-\dfrac{2^0}{2^0+1}}\\\\=\\\\\boxed{\mathsf{\displaystyle\sum_{k=0}^n\dfrac{2^{k+1}}{2^{k+1}+1}-\dfrac{2^k}{2^k+1}=\dfrac{2^{n+1}}{2^{n+1}+1}-\dfrac{1}{2}}}



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