egp903
contestada

INFINITE SERIES
Determine if the series converges or diverges. For convergent series, find the sum of the series.
I know the answer, but I don’t know how to get to it.

INFINITE SERIES Determine if the series converges or diverges For convergent series find the sum of the series I know the answer but I dont know how to get to i class=

Respuesta :

Space

Answer:

The series is convergent and is equal to 1.

General Formulas and Concepts:

Algebra I

  • Terms/Coefficients
  • Factoring

Pre-Calculus

  • Partial Fraction Decomposition

Calculus

Limits

  • Limit Rule [Variable Direct Substitution]:                                                     [tex]\displaystyle \lim_{x \to c} x = c[/tex]
  • Limit Property [Addition/Subtraction]:                                                         [tex]\displaystyle \lim_{x \to c} [f(x) \pm g(x)] = \lim_{x \to c} f(x) \pm \lim_{x \to c} g(x)[/tex]

Sequences

Series

  • Definition of a convergent/divergent series
  • Sum of a series:                                                                                             [tex]\displaystyle \lim_{n \to \infty} S_n[/tex]

Telescoping Series:                                                                                               [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} (b_1 - b_{k + 1}) = (b_1 - b_2) + (b_2 - b_3) + (b_3 - b_4) + ... + (b_1 - b_{k + 1}) + ...[/tex]

Step-by-step explanation:

Step 1: Define

Identify

[tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2}[/tex]

Step 2: Rewrite Sum

  1. Factor:                                                                                                           [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k \cdot k(k + 1)(k + 1)}[/tex]
  2. Break up [Partial Fraction Decomposition]:                                                 [tex]\displaystyle \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \frac{A}{k} + \frac{B}{k^2} + \frac{C}{k + 1} + \frac{D}{(k + 1)^2}[/tex]
  3. Simplify [Common Denominator]:                                                                 [tex]\displaystyle 2k + 1 = Ak(k + 1)^2 + B(k + 1)^2 + Ck^2(k + 1) + Dk^2[/tex]
  4. [Decomp] Expand:                                                                                         [tex]\displaystyle 2k + 1 = Ak^3 + Ck^3 + A2k^2 + Bl^2 + Ck^2 + Dk^2 + Ak + B2k + B[/tex]
  5. [Decomp] Factor:                                                                                           [tex]\displaystyle 2k + 1 = k^3(A + C) + k^2(2A + B + C + D) + k(A + 2B) + B[/tex]
  6. [Decomp] Set up systems:                                                                           [tex]\displaystyle \begin{cases} A + C = 0 \\ 2A + B + C + D = 0 \\ A + 2B = 2 \\ B = 1 \end{cases}[/tex]
  7. [Decomp] Solve:                                                                                            [tex]\displaystyle A = 0, \ B = 1, \ C = 0, \ D = -1[/tex]
  8. [Decomp] Substitute in variables:                                                                [tex]\displaystyle \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \frac{0}{k} + \frac{1}{k^2} + \frac{0}{k + 1} + \frac{-1}{(k + 1)^2}[/tex]
  9. [Decomp] Simplify:                                                                                         [tex]\displaystyle \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k + 1)^2}[/tex]
  10. Substitute in decomp [Sum]:                                                                         [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \sum^\infty_{k = 1} \bigg( \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k + 1)^2} \bigg)[/tex]

Step 3: Find Sum

  1. Find Sₙ terms:                                                                                                    [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \bigg( \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k + 1)^2} \bigg) = \bigg( 1 - \frac{1}{4} \bigg) + \bigg( \frac{1}{4} - \frac{1}{9} \bigg) + \bigg( \frac{1}{9} - \frac{1}{16} \bigg) + ... + \bigg( \frac{1}{k^2} - \frac{1}{(k + 1)^2} \bigg) + ...[/tex]
  2. Find general Sₙ formula:                                                                               [tex]\displaystyle S_n = 1 - \frac{1}{(k + 1)^2}[/tex]
  3. Sum of a series:                                                                                             [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = \lim_{n \to \infty} \bigg( 1 - \frac{1}{(k + 1)^2} \bigg)[/tex]
  4. Evaluate limit [Limit Rule - Variable Direct Substitution]:                           [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = 1 - 0[/tex]
  5. Simplify:                                                                                                         [tex]\displaystyle \sum^\infty_{k = 1} \frac{2k + 1}{k^2(k + 1)^2} = 1[/tex]

∴ the sum converges to 1 by the Telescoping Series.

Topic: AP Calculus AB/BC (Calculus I/I + II)

Unit: Convergence Tests (BC Only)

Book: College Calculus 10e