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Universidad · Cálculo I
Sucesiones y series · Series numéricas

Geométricas, telescópicas y sumas

Una pelota rebota infinitas veces y, sin embargo, se detiene en un tiempo finito y recorre una distancia finita. ¿Cómo puede una suma de infinitos términos positivos dar un número concreto? En este apartado aprenderás los tres casos en los que no solo se puede decidir la convergencia, sino calcular la suma exacta: la serie geométrica, la telescópica y las que se reducen a ellas.

Sumas parciales y suma de una serie

Sumar infinitos términos no es una operación algebraica: se define mediante un límite. Todo el apartado descansa en esta idea, así que conviene fijarla bien.

La estrategia es siempre la misma: encontrar una fórmula cerrada para $S_N$ y pasar al límite. Las series de este apartado son aquellas donde esa fórmula se puede obtener.

Sumas parciales que crecen y se acercan a una asíntota horizontal que representa la suma de la serie. S (suma de la serie) N S_N
Practica★☆☆Sin empezar
Halla $S_N=\sum_{n=1}^N1/[n(n+1)]$ y la suma infinita.

Halla $S_N=\sum_{n=1}^N1/[n(n+1)]$ y la suma infinita.

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Series geométricas

Una serie geométrica es aquella donde cada término se obtiene del anterior multiplicando por una razón fija $r$. Es la base de casi todo lo demás.

La gráfica muestra $S_N$ en función de $N$ (tratada como continua): con $|r|<1$ se estabiliza en $1/(1-r)$; si $r<0$ oscila alrededor de ese valor.

Practica★☆☆Sin empezar
Calcula $\sum_{n=0}^{\infty}4(1/3)^n$ y justifica la convergencia.

Calcula $\sum_{n=0}^{\infty}4(1/3)^n$ y justifica la convergencia.

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Practica★☆☆Sin empezar
Expresa el decimal periódico $0,272727\ldots$ como serie geométrica y como fracción irreducible.

Expresa el decimal periódico $0,272727\ldots$ como serie geométrica y como fracción irreducible.

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Practica★★☆Sin empezar
Determina para qué $r\in\mathbb R$ converge $\sum_{n=0}^{\infty}(r-1)^n$ y expresa la suma en función de $r$.

Determina para qué $r\in\mathbb R$ converge $\sum_{n=0}^{\infty}(r-1)^n$ y expresa la suma en función de $r$.

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Modelos con geométricas: rebotes y ecos

Muchos fenómenos con «pérdida proporcional» se modelan con series geométricas: la altura de rebote, la amplitud de ecos o la energía que se disipa en cada ciclo.

Animación de una pelota que cae desde 2 m y rebota alcanzando cada vez la mitad de la altura anterior, con tiempos proporcionales a la raíz de la altura; el trazo se dibuja a medida que avanza la pelota, los rebotes se acortan hasta caber en un tramo finito y, tras una pausa, la escena se repite. h = 2 m h/2 h/4
Practica★☆☆Sin empezar
Una pelota cae desde $2$ metros y cada rebote alcanza la mitad de la altura anterior. Suponiendo infinitos rebotes, calcula la distancia vertical total recorrida. La…

Una pelota cae desde $2$ metros y cada rebote alcanza la mitad de la altura anterior. Suponiendo infinitos rebotes, calcula la distancia vertical total recorrida.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

2 m 1 m 0,5 m 0,25 m
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Practica★★☆Sin empezar
Una red transmite una señal de amplitud inicial $A$. Los ecos tienen amplitudes $A/4,-A/16,A/64,\ldots$. Calcula la amplitud total superpuesta incluyendo la señal…

Una red transmite una señal de amplitud inicial $A$. Los ecos tienen amplitudes $A/4,-A/16,A/64,\ldots$. Calcula la amplitud total superpuesta incluyendo la señal inicial, suponiendo superposición lineal.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

t A Inicial A/4 Eco 1 −A/16 Eco 2 A/64 Eco 3
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Series telescópicas

Aquí los términos se cancelan por parejas al sumar. No hay razón constante, pero sí una estructura que colapsa $S_N$ a unos pocos términos.

Esquema de cancelación en cadena de los términos de una suma telescópica, donde solo sobreviven el primero y el último. (b₁ − b₂) + (b₂ − b₃) + (b₃ − b₄) + … + (b_N − b_N+1) S_N = b₁ − b_N+1
Practica★★☆Sin empezar
Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}1/[n(n+2)]$ mediante fracciones simples.

Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}1/[n(n+2)]$ mediante fracciones simples.

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Practica★★☆Sin empezar
Halla la suma de $\sum_{n=1}^{\infty}\ln[(n+1)^2/(n(n+2))]$ usando productos telescópicos.

Halla la suma de $\sum_{n=1}^{\infty}\ln[(n+1)^2/(n(n+2))]$ usando productos telescópicos.

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Practica★★★Sin empezar
Una persona cancela formalmente términos de $\sum_{n=1}^{\infty}(\sqrt{n+1}-\sqrt n)$ y afirma que la suma es $-1$. Usa las sumas parciales para corregir el razonamiento…

Una persona cancela formalmente términos de $\sum_{n=1}^{\infty}(\sqrt{n+1}-\sqrt n)$ y afirma que la suma es $-1$. Usa las sumas parciales para corregir el razonamiento y compara con $\sum_{n=1}^{\infty}(1/\sqrt n-1/\sqrt{n+1})$.

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Series aritmético-geométricas y sumas más complejas

Cuando el término es un polinomio en $n$ por $r^n$, el truco de «multiplicar por $r$ y restar» reduce el grado hasta llegar a una geométrica. También las telescópicas pueden requerir tres factores o descomposiciones más largas.

Practica★★☆Sin empezar
Para $|r|<1$, deduce $\sum_{n=1}^{\infty}nr^n$ multiplicando la serie por $r$ y restando. Indica por qué las operaciones son legítimas.

Para $|r|<1$, deduce $\sum_{n=1}^{\infty}nr^n$ multiplicando la serie por $r$ y restando. Indica por qué las operaciones son legítimas.

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Practica★★☆Sin empezar
Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}(1/\sqrt n-1/\sqrt{n+1})$ y determina el número mínimo de términos para que el error sea como máximo $0,01$.

Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}(1/\sqrt n-1/\sqrt{n+1})$ y determina el número mínimo de términos para que el error sea como máximo $0,01$.

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Practica★★★Sin empezar
Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}1/[n(n+1)(n+2)]$ sin integrar ni utilizar una tabla de sumas.

Calcula $\sum_{n=1}^{\infty}1/[n(n+1)(n+2)]$ sin integrar ni utilizar una tabla de sumas.

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Energía acumulada y restos

En aplicaciones interesa no solo la suma total, sino cuánto queda por sumar tras $N$ términos: el resto $R_N=S-S_N$.

Barra que representa la suma total dividida en la parte ya sumada tras N términos y el resto pendiente. S_N R_N S = S_N + R_N
Practica★★★Sin empezar
Sabiendo que $\sum_{n=1}^{\infty}n r^n=r/(1-r)^2$ para $|r|<1$, deduce por multiplicación y resta una fórmula para $\sum_{n=1}^{\infty}n^2r^n$ y evalúala en $r=1/2$.

Sabiendo que $\sum_{n=1}^{\infty}n r^n=r/(1-r)^2$ para $|r|<1$, deduce por multiplicación y resta una fórmula para $\sum_{n=1}^{\infty}n^2r^n$ y evalúala en $r=1/2$.

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Practica★★★Sin empezar
La energía depositada en el pulso $n\geq1$ es $E_n=nE_0q^{n-1}$, $E_0>0$, $0<q<1$. Calcula la energía total y demuestra que la energía pendiente tras $N$ pulsos es…

La energía depositada en el pulso $n\geq1$ es $E_n=nE_0q^{n-1}$, $E_0>0$, $0

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Resumen

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