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10.1: Séries e funções de potência

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    187776
    • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
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    Objetivos de
    • Identifique uma série de potências e forneça exemplos delas.
    • Determine o raio de convergência e o intervalo de convergência de uma série de potências.
    • Use uma série de potências para representar uma função.

    Uma série de potência é um tipo de série com termos que envolvem uma variável. Mais especificamente, se a variável for\(x\), todos os termos da série envolvem potências de\(x\). Como resultado, uma série de potências pode ser considerada um polinômio infinito. As séries Power são usadas para representar funções comuns e também para definir novas funções. Nesta seção, definimos séries de potência e mostramos como determinar quando uma série de potência converge e quando ela diverge. Também mostramos como representar determinadas funções usando séries de potência.

    Forma de uma série Power

    Uma série do formulário

    \[\sum_{n=0}^∞c_nx^n=c_0+c_1x+c_2x^2+\ldots , \nonumber \]

    onde\(x\) é uma variável e os coeficientes\(c_n\) são constantes, é conhecida como série de potências. A série

    \[1+x+x^2+\ldots =\sum_{n=0}^∞x^n \nonumber \]

    é um exemplo de uma série de potências. Como essa série é uma série geométrica com proporção\(r=|x|\), sabemos que ela converge se\(|x|<1\) e diverge se\(|x|≥1.\)

    Definição\(\PageIndex{1}\): Power Series

    Uma série do formulário

    \[\sum_{n=0}^∞c_nx^n=c_0+c_1x+c_2x^2+\ldots \nonumber \]

    é uma série de potências\(x=0.\) centrada na série A da forma

    \[\sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n=c_0+c_1(x−a)+c_2(x−a)^2+\ldots \nonumber \]

    é uma série de potências centrada em\(x=a\).

    Para tornar essa definição precisa, estipulamos isso\(x^0=1\) e\((x−a)^0=1\) até mesmo quando\(x=0\) e\(x=a\), respectivamente.

    A série

    \[\sum_{n=0}^∞\dfrac{x^n}{n!}=1+x+\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^3}{3!}+\ldots \nonumber \]

    e

    \[\sum_{n=0}^∞n!x^n=1+x+2!x^2+3!x^3+\ldots \nonumber \]

    são ambas séries de potência centradas\(x=0.\) na série

    \[\sum_{n=0}^∞\dfrac{(x−2)^n}{(n+1)3^n}=1+\dfrac{x−2}{2⋅3}+\dfrac{(x−2)^2}{3⋅3^2}+\dfrac{(x−2)^3}{4⋅3^3}+\ldots \nonumber \]

    é uma série de potências centrada em\(x=2\).

    Convergência de uma série de potências

    Como os termos em uma série de potências envolvem uma variável\(x\), a série pode convergir para certos valores de\(x\) e divergir para outros valores de\(x\). Para uma série de potência centrada em\(x=a\), o valor da série em\(x=a\) é dado por\(c_0\). Portanto, uma série de potências sempre converge em seu centro. Algumas séries de potência convergem apenas nesse valor de\(x\). A maioria das séries de potência, no entanto, converge para mais de um valor de\(x\). Nesse caso, a série de potências converge para todos os números reais\(x\) ou converge para todos\(x\) em um intervalo finito. Por exemplo, a série geométrica\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞x^n\) converge para todos\(x\) no intervalo\((−1,1)\), mas diverge para todos\(x\) fora desse intervalo. Agora resumimos essas três possibilidades para uma série de potência geral.

    Nota\(\PageIndex{1}\): Convergence of a Power Series

    Considere a série de potência\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n.\) A série satisfaz exatamente uma das seguintes propriedades:

    1. A série converge\(x=a\) e diverge para todos\(x≠a.\)
    2. A série converge para todos os números reais\(x\).
    3. Existe um número real\(R>0\) tal que a série converge se\(|x−a|<R\) e diverge se\(|x−a|>R\). Nos valores em\(x\) que |x−a|=R, a série pode convergir ou divergir.
    Prova

    Suponha que a série de potência esteja centrada em\(a=0\). (Para uma série centrada em um valor diferente de zero, o resultado segue deixando\(y=x−a\) e considerando a série

    \[ \sum_{n=1}^∞c_ny^n. \nonumber \]

    Devemos primeiro provar o seguinte fato:

    Se existe um número\(d≠0\) real que\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_nd^n\) converja, então a série\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_nx^n\) converge absolutamente para tudo\(x\) isso\(|x|<|d|.\)

    Uma vez que\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_nd^n\) converge, o enésimo termo\(c_nd^n→0\) foi\(n→∞\). Portanto, existe um número inteiro\(N\) tal que\(|c_nd^n|≤1\) para toda\(n≥N.\) escrita

    \[|c_nx^n|=|c_nd^n| \left|\dfrac{x}{d}\right|^n, \nonumber \]

    concluímos que, para todo o N≥n,

    \[|c_nx^n|≤\left|\dfrac{x}{d}\right|^n. \nonumber \]

    A série

    \[\sum_{n=N}^∞\left|\dfrac{x}{d}\right|^n \nonumber \]

    é uma série geométrica que converge se\(|\dfrac{x}{d}|<1.\) Portanto, pelo teste de comparação, concluímos que\(\displaystyle \sum_{n=N}^∞c_nx^n\) também converge para\(|x|<|d|\). Como podemos adicionar um número finito de termos a uma série convergente, concluímos que\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_nx^n\) converge para\(|x|<|d|.\)

    Com esse resultado, agora podemos provar o teorema. Considere a série

    \[\sum_{n=0}^∞a_nx^n \nonumber \]

    e\(S\) seja o conjunto de números reais para os quais a série converge. Suponha que o conjunto\(S={0}.\) Então a série se enquadre no caso i.

    Suponha que o conjunto\(S\) seja o conjunto de todos os números reais. Então, a série se enquadra no caso ii. Suponha que\(S≠{0}\) e não\(S\) seja o conjunto de números reais. Então, existe um número real de\(x*≠0\) tal forma que a série não converge. Assim, a série não pode convergir para nada\(x\) disso\(|x|>|x*|\). Portanto, o conjunto\(S\) deve ser um conjunto limitado, o que significa que ele deve ter o menor limite superior. (Esse fato decorre da propriedade Least Upper Bound para os números reais, que está além do escopo deste texto e é abordada em cursos de análise real.) Chame esse menor limite superior\(R\). Desde então\(S≠{0}\), o número\(R>0\). Portanto, a série converge para tudo\(x\) isso\(|x|<R,\) e a série se enquadra no caso iii.

    Se uma série se\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n\) enquadra no caso iii. de Note, então a série converge\(|x−a|<R\) para tudo\(x\) isso que para alguns\(R>0\) e diverge para tudo\(x\) isso\(|x−a|>R\). A série pode convergir ou divergir nos valores em\(x\) que\(|x−a|=R\). O conjunto de valores\(x\) para o qual a série\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n\) converge é conhecido como intervalo de convergência. Como a série diverge para todos os valores\(x\) em que\(|x−a|>R\), o comprimento do intervalo é e\(2R\), portanto, o raio do intervalo é\(R\). O valor\(R\) é chamado de raio de convergência. Por exemplo, como a série\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞x^n\) converge para todos os valores\(x\) no intervalo\((−1,1)\) e diverge para todos os valores, de\(x\) forma que\(|x|≥1\), o intervalo de convergência dessa série é\((−1,1)\). Como o comprimento do intervalo é\(2\), o raio de convergência é\(1\).

    Definição: raio de convergência

    Considere a série de potências\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n\). O conjunto de números reais\(x\) em que a série converge é o intervalo de convergência. Se existe um número real\(R>0\) tal que a série converge\(|x−a|<R\) e diverge\(|x−a|>R,\), então\(R\) é o raio de convergência. Se a série convergir apenas em\(x=a\), dizemos que o raio de convergência é\(R=0\). Se a série convergir para todos os números reais\(x\), dizemos que o raio de convergência é\(R=∞\) (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    Essa figura tem três linhas numéricas, cada uma rotulada com x. No meio de cada reta numérica há um ponto chamado a. A primeira linha numérica “diverge” sobre toda a linha à esquerda de a e “diverge” sobre a linha à direita de a. No próprio ponto a, ela é rotulada como “converge”. A segunda linha numérica tem “convergências” rotuladas para toda a linha. A terceira reta numérica tem pontos rotulados em A-r, a e a+r. À esquerda de A-r, a reta numérica é rotulada como “diverge”. Entre a-R e a+R, a reta numérica é rotulada como “converge” e à direita de a+R a reta numérica é rotulada como “diverge”.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Para um\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n\) gráfico em série (a) mostra um raio de convergência em\(R=0\), o gráfico (b) mostra um raio de convergência em\(R=∞\) e o gráfico (c) mostra um raio de convergência em\(R\). Para o gráfico (c), notamos que a série pode ou não convergir nos pontos finais\(x=a+R\)\(x=a−R\) e.

    Para determinar o intervalo de convergência para uma série de potências, normalmente aplicamos o teste de razão. No exemplo\(\PageIndex{1}\), mostramos as três possibilidades diferentes ilustradas na Figura\(\PageIndex{1}\).

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Finding the Interval and Radius of Convergence

    Para cada uma das séries a seguir, encontre o intervalo e o raio de convergência.

    1. \(\displaystyle \sum_{n=0}^∞\dfrac{x^n}{n!}\)
    2. \(\displaystyle \sum_{n=0}^∞n!x^n\)
    3. \(\displaystyle \sum_{n=0}^∞\dfrac{(x−2)^n}{(n+1)3^n}\)

    Solução

    a. Para verificar a convergência, aplique o teste de proporção. Nós temos

    \ [\ begin {align*} ρ &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1)!}} {\ dfrac {x^n} {n!}} \ right|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1)!} ==\ dfrac {n!} {x^n}\ direita|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {x^ {n+1}} {(n+1) ρ n!} ==\ dfrac {n!} {x^n}\ direita|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {x} {n+1}\ direita|\\ [4pt]
    &=|x|\ lim_ {n→∞}\ dfrac {1} {n+1}\\ [4pt]
    &=0<1\ end {align*}\]

    para todos os valores de\(x\). Portanto, a série converge para todos os números reais\(x\). O intervalo de convergência é\((−∞,∞)\) e o raio de convergência é\(R=∞.\)

    b. Aplique o teste de proporção. \(x≠0\)Pois, vemos que

    \ [\ begin {align*} ρ &=\ lim_ {n→∞}\ left|\ dfrac {(n+1)! x^ {n+1}} {n! x^n}\ right|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞} | (n+1) x|\\ [4pt]
    &=|x|\ lim_ {n→∞} (n+1)\\ [4pt]
    &=∞. \ end {align*}\]

    Portanto, a série diverge para todos\(x≠0\). Como a série está centrada em\(x=0\), ela deve convergir para lá, então a série converge apenas para\(x≠0\). O intervalo de convergência é o valor único\(x=0\) e o raio de convergência é\(R=0\).

    c. Para aplicar o teste de proporção, considere

    \ [\ begin {align*} ρ &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {\ dfrac {(x−2) ^ {n+1}} {(n+2) 3^ {n+1}} {\ dfrac {(x−2) ^n} {(n+1) 3^n}}\ direita|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {(x−2) ^ {n+1}} {(n+2) 3^ {n+1}} □\ dfrac {(n+1) 3^n} {(x−2) ^n}\ direita|\\ [4pt]
    &=\ lim_ {n→∞}\ esquerda|\ dfrac {(x−−2) (n+1)} {3 (n+2)}\ direito|\\ [4 pt]
    &=\ dfrac {|x−2|} {3}. \ end {align*}\]

    A proporção\(ρ<1\) de\(|x−2|<3\). Uma vez que\(|x−2|<3\) implica que\(−3<x−2<3,\) a série converge absolutamente se\(−1<x<5\). A proporção\(ρ>1\) de\(|x−2|>3\). Portanto, a série diverge se\(x<−1\) ou\(x>5\). O teste de proporção é inconclusivo se\(ρ=1\). A proporção\(ρ=1\) se e somente se\(x=−1\) ou\(x=5\). Precisamos testar esses valores\(x\) separadamente. Pois\(x=−1\), a série é dada por

    \[ \sum_{n=0}^∞\dfrac{(−1)^n}{n+1}=1−\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}−\dfrac{1}{4}+\ldots . \nonumber \]

    Como essa é a série harmônica alternada, ela converge. Assim, a série converge em\(x=−1\). Pois\(x=5\), a série é dada por

    \[ \sum_{n=0}^∞\dfrac{1}{n+1}=1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{4}+\ldots . \nonumber \]

    Essa é a série harmônica, que é divergente. Portanto, a série de potência diverge em\(x=5\). Concluímos que o intervalo de convergência é\([−1,5)\) e o raio de convergência é\(R=3\).

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Encontre o intervalo e o raio de convergência para a série

    \[ \sum_{n=1}^∞\dfrac{x^n}{\sqrt{n}}. \nonumber \]

    Dica

    Aplique o teste de proporção para verificar a convergência absoluta.

    Responda

    O intervalo de convergência é\([−1,1).\) O raio de convergência é\(R=1.\)

    Representando funções como séries de potência

    Ser capaz de representar uma função por meio de um “polinômio infinito” é uma ferramenta poderosa. As funções polinomiais são as funções mais fáceis de analisar, pois envolvem apenas as operações aritméticas básicas de adição, subtração, multiplicação e divisão. Se pudermos representar uma função complicada por meio de um polinômio infinito, podemos usar a representação polinomial para diferenciá-la ou integrá-la. Além disso, podemos usar uma versão truncada da expressão polinomial para aproximar os valores da função. Então, a questão é: quando podemos representar uma função por uma série de potências?

    Considere novamente a série geométrica

    \[1+x+x^2+x^3+\ldots =\sum_{n=0}^∞x^n. \nonumber \]

    Lembre-se de que a série geométrica

    \[a+ar+ar^2+ar^3+\ldots \nonumber \]

    converge se e somente se\(|r|<1.\) Nesse caso, ele convergir para\(\dfrac{a}{1−r}\). Portanto\(|x|<1\), se a série em Example\(\PageIndex{1}\) converge para\(\dfrac{1}{1−x}\) e escrevemos

    \[1+x+x^2+x^3+\ldots =\dfrac{1}{1−x} for|x|<1. \nonumber \]

    Como resultado, somos capazes de representar a função\(f(x)=\dfrac{1}{1−x}\) pela série de potências

    \[1+x+x^2+x^3+\ldots when|x|<1. \nonumber \]

    Agora mostramos graficamente como essa série fornece uma representação para a função\(f(x)=\dfrac{1}{1−x}\) comparando o gráfico de\(f\) com os gráficos de várias somas parciais dessa série infinita.

    Exemplo\(\PageIndex{2}\): Graphing a Function and Partial Sums of its Power Series

    Esboce um gráfico\(f(x)=\dfrac{1}{1−x}\) e os gráficos das somas\( \displaystyle S_N(x)=\sum_{n=0}^Nx^n\) parciais correspondentes\(N=2,4,6\) no intervalo\((−1,1)\). Comente sobre a aproximação à\(S_N\) medida que\(N\) aumenta.

    Solução

    No gráfico da Figura, você vê que, à medida que\(N\) aumenta,\(S_N\) se torna uma melhor aproximação\(f(x)=\dfrac{1}{1−x}\) para\(x\) no intervalo\((−1,1)\).

    Esta figura é o gráfico de y = 1/ (1-x), que é uma curva crescente com assíntota vertical em 1. Também neste gráfico estão três somas parciais da função, S sub 6, S sub 4 e S sub 2. Essas curvas, em ordem, gradualmente se tornam mais planas.
    Figura\(\PageIndex{2}\): O gráfico mostra uma função e três aproximações dela por somas parciais de uma série de potências.
    Exercício\(\PageIndex{2}\)

    Esboce um gráfico\(f(x)=\dfrac{1}{1−x^2}\) e as somas parciais correspondentes\(\displaystyle S_N(x)=\sum_{n=0}^Nx^{2n}\) de\(N=2,4,6\) no intervalo\((−1,1).\)

    Dica
    \(S_N(x)=1+x^2+\ldots +x^{2N}=\dfrac{1−x^{2(N+1)}}{1−x^2}\)
    Responda

    Esta figura é o gráfico de y = 1/ (1-x^2), que é uma curva côncava para cima, simétrica em relação ao eixo y. Também neste gráfico estão três somas parciais da função, S sub 6, S sub 4 e S sub 2. Essas curvas, em ordem, gradualmente se tornam mais planas.

    Em seguida, consideramos funções que envolvem uma expressão semelhante à soma de uma série geométrica e mostramos como representar essas funções usando séries de potências.

    Exemplo\(\PageIndex{3}\): Representing a Function with a Power Series

    Use uma série de potências para representar cada uma das seguintes funções\(f\). Encontre o intervalo de convergência.

    1. \(f(x)=\dfrac{1}{1+x^3}\)
    2. \(f(x)=\dfrac{x^2}{4−x^2}\)

    Solução

    a. Você deve reconhecer essa função\(f\) como a soma de uma série geométrica, porque

    \[ \dfrac{1}{1+x^3}=\dfrac{1}{1−(−x^3)}. \nonumber \]

    Usando o fato de que, for\(|r|<1,\dfrac{a}{1−r}\) é a soma da série geométrica

    \[ \sum_{n=0}^∞ar^n=a+ar+ar^2+\ldots , \nonumber \]

    vemos que, por\(|−x^3|<1,\)

    \[ \begin{align*} \dfrac{1}{1+x^3} =\dfrac{1}{1−(−x^3)} \\[4pt] =\sum_{n=0}^∞(−x^3)^n \\[4pt] =1−x^3+x^6−x^9+\ldots . \end{align*}\]

    Como essa série converge se e somente se\(|−x^3|<1\), o intervalo de convergência é\((−1,1)\), e temos

    \[ \dfrac{1}{1+x^3}=1−x^3+x^6−x^9+\ldots for|x|<1.\nonumber \]

    b. Essa função não está na forma exata da soma de uma série geométrica. No entanto, com um pouco de manipulação algébrica, podemos relacionar f a uma série geométrica. Ao fatorar 4 dos dois termos no denominador, obtemos

    \[ \begin{align*} \dfrac{x^2}{4−x^2} =\dfrac{x^2}{4(\dfrac{1−x^2}{4})}\\[4pt] =\dfrac{x^2}{4(1−(\dfrac{x}{2})^2)}.\end{align*}\]

    Portanto, temos

    \ [\ begin {align*}\ dfrac {x^2} {4−x^2} &=\ dfrac {x^2} {4 (1− (\ dfrac {x} {2}) ^2)}\\ [4pt]
    &=\ dfrac {\ dfrac {x^2} {4}} {1− (\ dfrac {x} {2}}) ^2}\\ [4pt]
    &=\ sum_ {n=0} ^∞\ dfrac {x^2} {4} (\ dfrac {x} {2}) ^ {2n}. \ end {align*}\]

    A série converge desde que\(|(\dfrac{x}{2})^2|<1\) (observe que quando\(|(\dfrac{x}{2})^2|=1\) a série não converge). Resolvendo essa desigualdade, concluímos que o intervalo de convergência é\((−2,2)\) e

    \ [\ begin {align*}\ dfrac {x^2} {4−x^2} &=\ sum_ {n=0} ^∞\ dfrac {x^ {2n+2}} {4^ {n+1}}\ [4pt]
    &=\ dfrac {x^2} {4} +\ dfrac {x^4} {4^2}\ dfrac {x^6} {4^3} +\ ldots\ end {align*}\]

    para\(|x|<2.\)

    Exercício\(\PageIndex{3}\)

    Represente a função\(f(x)=\dfrac{x^3}{2−x}\) usando uma série de potências e encontre o intervalo de convergência.

    Dica

    Reescreva f no formulário\(f(x)=\dfrac{g(x)}{1−h(x)}\) para algumas funções\(g\)\(h\) e.

    Responda

    \(\displaystyle \sum_{n=0}^∞\dfrac{x^{n+3}}{2^{n+1}}\)com intervalo de convergência\((−2,2)\)

    Nas seções restantes deste capítulo, mostraremos maneiras de derivar representações de séries de potência para muitas outras funções e como podemos fazer uso dessas representações para avaliar, diferenciar e integrar várias funções.

    Conceitos-chave

    • Para uma série de potência centrada em\(x=a\), uma das três propriedades a seguir é válida:
      • i. A série de potência converge apenas em\(x=a\). Nesse caso, dizemos que o raio de convergência é\(R=0\).
      • ii. A série power converge para todos os números reais\(x\). Nesse caso, dizemos que o raio de convergência é\(R=∞\).
      • iii. Existe um número real R tal que a série converge\(|x−a|<R\) e diverge para\(|x−a|>R\). Nesse caso, o raio de convergência é\(R.\)
    • Se uma série de potências converge em um intervalo finito, a série pode ou não convergir nas extremidades.
    • O teste de proporção geralmente pode ser usado para determinar o raio de convergência.
    • A série geométrica\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞x^n=\dfrac{1}{1−x}\) para nos\(|x|<1\) permite representar certas funções usando séries geométricas.

    Equações-chave

    • Série Power centrada em\(x=0\)

    \[ \sum_{n=0}^∞c_nx^n=c_0+c_1x+c_2x^2+\ldots n\nonumber \]

    • Série Power centrada em\(x=a\)

    \[ \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n=c_0+c_1(x−a)+c_2(x−a)^2+\ldots \nonumber \]

    Glossário

    intervalo de convergência
    o conjunto de números reais\(x\) para os quais uma série de potências converge
    série power
    uma série da forma\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_nx^n\) é uma série de potências centrada em\(x=0\); uma série da forma\(\displaystyle \sum_{n=0}^∞c_n(x−a)^n\) é uma série de potências centrada em\(x=a\)
    raio de convergência
    se existe um número real\(R>0\) tal que uma série de potências centrada em\(x=a\) converge\(|x−a|<R\) e diverge para\(|x−a|>R\), então\(R\) é o raio de convergência; se a série de potências converge apenas em\(x=a\), o raio de convergência é\(R=0\); se a série de potências converge para todos os números reais\(x\), o raio de convergência é\(R=∞\)