Criterio del Límite para Series de Términos Positivos: Demostración y Aplicaciones

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2. Criterio del límite para series de términos positivos

Dadas dos series de términos positivos ∑n=1∞ an y ∑n=1∞ bn:

  • a) Si ∑n=1∞ an converge y limn→∞ (bn/an) = l ∈ ℝ (es decir, l ≠ +∞), entonces ∑n=1∞ bn converge.
  • b) Si ∑n=1∞ an diverge y limn→∞ (bn/an) = l ∈ ℝ con l ≠ 0 o limn→∞ (bn/an) = +∞, entonces ∑n=1∞ bn diverge.

Demostración

Antes de demostrar los distintos casos, obsérvese que si limn→∞ (bn/an) = l ∈ &Ropf;, entonces para todo ε > 0 existe un n0 tal que para todo n ≥ n0 se cumple l - ε < bn/an < l + ε, y por tanto (l - ε)an < bn < (l + ε)an.

Así pues, se puede decir que ∑n=1∞ (l - ε)an y ∑n=1∞ (l + ε)an son una minorante y mayorante de ∑n=1∞ bn, respectivamente.

Caso a)

Se supone que ∑n=1∞ an converge y limn→∞ (bn/an) = l ∈ &Ropf;. Si ∑n=1∞ an converge, por el criterio de invarianza, ∑n=1∞ (l + ε)an también converge y hemos visto que es mayorante de ∑n=1∞ bn, por lo que ∑n=1∞ bn es convergente.

Caso b.1)

Se supone que ∑n=1∞ an es divergente y limn→∞ (bn/an) = l ∈ &Ropf;, con l ≠ 0. Obsérvese que, por ser las series de términos positivos, si limn→∞ (bn/an) = l ≠ 0, se verifica l > 0.

Escogiendo ε > 0 tal que (l - ε) > 0, resulta que ∑n=1∞ (l - ε)an es una serie de términos positivos divergente y minorante de ∑n=1∞ bn; aplicando el criterio de comparación, se puede afirmar que ∑n=1∞ bn es también divergente.

Caso b.2)

Se supone que ∑n=1∞ an es divergente y limn→∞ (bn/an) = +∞. Por ser el límite infinito, para todo M > 0 existe un n0 tal que para todo n ≥ n0 se cumple bn/an > M, es decir, bn > M an. Eligiendo M > 0 y razonando como en los casos anteriores, ∑n=1∞ M an es una serie divergente minorante de ∑n=1∞ bn y, por tanto, esta también diverge.

Nota final

Del teorema anterior se deduce que dos series de términos positivos ∑n=1∞ an y ∑n=1∞ bn con an ~ bn tienen el mismo carácter. Este resultado es consecuencia inmediata de los apartados a) y b.1) del teorema, teniendo en cuenta que si an ~ bn, se verifica limn→∞ (bn/an) = 1.

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