01 · La pregunta central
¿Para qué valores de x converge?
Una serie de potencias:
representa una serie numérica diferente para cada valor de x. Conocer su expresión formal no basta: hay que determinar exactamente el conjunto donde la suma infinita existe.
La respuesta se organiza en dos etapas:
- Calcular la distancia crítica
Rrespecto del centro. - Si
0<R<∞, estudiar por separadox=c−Ryx=c+R.
02 · Teorema fundamental
Tres comportamientos posibles
Para toda serie de potencias existe un único R∈[0,∞] tal que:
Esto produce tres posibilidades:
- R=0
- La serie converge únicamente en el centro.
- 0<R<∞
- Converge dentro de un intervalo alrededor del centro; faltan los extremos.
- R=∞
- Converge absolutamente para todo número real.
03 · Dos conceptos
Radio no es lo mismo que intervalo
El radio de convergencia es un número no negativo: mide una distancia desde c. El intervalo de convergencia es el conjunto de valores reales de x donde la serie converge.
Cuando 0<R<∞, el teorema entrega primero el intervalo abierto:
Después, cada desigualdad puede convertirse o no en igualdad según el resultado de las pruebas de los extremos.
04 · Método habitual
Aplicar el criterio del cociente al término completo
Sea uₙ=aₙ(x−c)ⁿ. Si existe el límite:
entonces:
El criterio del cociente garantiza convergencia cuando A|x−c|<1. Por lo tanto:
Con las convenciones 1/0=∞ y 1/∞=0.
05 · Paso algebraico
No perder el centro al despejar
El resultado del cociente suele aparecer como una desigualdad en valor absoluto. Por ejemplo:
equivale a:
El radio es R=2, no 5, y el centro es 3. Los extremos se obtienen mediante c±R.
06 · Fórmula general
Criterio de la raíz y Cauchy–Hadamard
Al aplicar la raíz enésima al término:
La fórmula general usa el límite superior:
Si el límite ordinario existe, puede usarse directamente. El lim sup cubre también coeficientes irregulares o con muchos ceros, donde el cociente aₙ₊₁/aₙ puede no existir.
07 · Resultado inconcluso
Por qué los extremos quedan pendientes
En un extremo se cumple |x−c|=R. Allí, los criterios del cociente y de la raíz que determinaron el radio suelen producir el valor 1.
Ese resultado es inconcluso: series convergentes y divergentes pueden compartirlo. Al sustituir cada extremo, desaparece la variable y se obtiene una serie numérica que debe analizarse con comparación, Leibniz, series p u otro criterio apropiado.
08 · Algoritmo de resolución
Radio, interior y extremos
- 1Identificar el centro.
Escribir la potencia como
(x−c)ⁿ. - 2Calcular R.
Usar cociente, raíz o reconocimiento de una geométrica.
- 3Escribir el interior.
Resolver
|x−c|<R. - 4Probar x=c−R.
Sustituir y clasificar la serie numérica.
- 5Probar x=c+R.
Realizar una prueba independiente.
- 6Dar el intervalo.
Usar paréntesis o corchetes de acuerdo con los resultados.
09 · Extremos diferentes
La serie de xⁿ/n
El cociente de términos absolutos tiende a |x|, por lo que R=1 y el interior es (−1,1).
- En
x=1:∑1/ndiverge. - En
x=−1:∑(−1)ⁿ/nconverge por Leibniz.
El intervalo final es:
La convergencia en −1 es condicional; en el interior es absoluta.
10 · Centro no nulo
Una serie centrada en 2
El radio sigue siendo 1, pero ahora:
- En
x=1aparece∑(−1)ⁿ/n, que converge. - En
x=3aparece∑1/n, que diverge.
El intervalo es [1,3). Trasladar el centro traslada el intervalo, pero no cambia el radio cuando los coeficientes son los mismos.
11 · Centro y escala
Coeficientes con una potencia de 3
El cociente absoluto tiende a |x+1|/3. Por tanto, R=3, centro c=−1 e interior (−4,2).
- En
x=−4:∑(−1)ⁿ/nconverge. - En
x=2:∑1/ndiverge.
El intervalo completo es [−4,2).
12 · Sin borde finito
Coeficientes factorialmente pequeños
El cociente de magnitudes consecutivas es:
Para cualquier x fijo, el límite es menor que uno. Por lo tanto R=∞ y el intervalo de convergencia es toda la recta real.
No existen extremos finitos que comprobar.
13 · Solo el centro
Coeficientes factorialmente grandes
Si x≠c, el cociente de magnitudes es:
La serie diverge. En x=c todos los términos de grado positivo son cero y la suma vale 1. Así, R=0 y el conjunto de convergencia es {c}.
14 · Crecimiento más lento
Los factores nᵏ no cambian un radio geométrico
Para:
el cociente de coeficientes satisface:
Por tanto, el radio es R=1. En ambos extremos los términos tienen magnitud nᵏ y no tienden a cero, de modo que el intervalo es (c−1,c+1).
15 · Sustitución útil
Series con exponentes 2n
Consideremos:
Es geométrica en la variable auxiliar t=(x−c)²/2. Converge cuando:
En ambos extremos el término vale 1, así que diverge. El radio es √2 y el intervalo es (c−√2,c+√2).
16 · Independencia de los bordes
Las cuatro combinaciones son posibles
| Serie | x=−1 | x=1 | Intervalo |
|---|---|---|---|
∑xⁿ | Diverge | Diverge | (−1,1) |
∑xⁿ/n | Converge | Diverge | [−1,1) |
∑(−1)ⁿxⁿ/n | Diverge | Converge | (−1,1] |
∑xⁿ/n² | Converge | Converge | [−1,1] |
La simetría del radio no obliga a que los extremos tengan el mismo comportamiento.
17 · Cambios finitos
El índice inicial no altera el radio
Agregar, quitar o modificar una cantidad finita de términos no cambia la convergencia de una serie. Por eso comenzar en n=0, n=1 o en otro índice finito no altera el radio.
Sí puede cambiar la función suma mediante un polinomio. Por ejemplo:
mientras que la serie desde n=0 suma 1/(1−x). Ambas poseen radio 1.
18 · Representar el resultado
Intervalos abiertos y cerrados en código
Un intervalo necesita guardar más que sus límites numéricos: cada extremo puede estar incluido o excluido.
function intervaloConvergencia(centro, radio, incluyeIzquierdo, incluyeDerecho) {
if (radio === Infinity) return "(−∞, ∞)";
if (radio === 0) return `{${centro}}`;
const izquierdo = centro - radio;
const derecho = centro + radio;
return `${incluyeIzquierdo ? "[" : "("}${izquierdo}, ${derecho}${incluyeDerecho ? "]" : ")"}`;
}
console.log(intervaloConvergencia(2, 1, true, false)); // [1, 3)Los booleanos no deben deducirse del radio: son el resultado de analizar las dos series de frontera.
19 · Exploración interactiva
Laboratorio: construir el intervalo
Elegí una serie y desplazá el punto de prueba. La recta resalta la región de convergencia y distingue extremos abiertos y cerrados.
Centro, radio y extremos
∑xⁿ/n
El extremo izquierdo converge por Leibniz; el derecho es la serie armónica.
La banda amarilla representa el interior de convergencia absoluta; un círculo violeta cerrado indica que ese extremo está incluido.
20 · Comprensión
Confusiones frecuentes
«El radio es el extremo derecho»
No. El radio es una distancia; el extremo derecho es c+R.
«El cociente menor o igual que uno garantiza convergencia»
No. Los criterios del cociente y la raíz requieren un valor estrictamente menor que uno.
«Los extremos se incluyen siempre juntos»
No. Cada uno produce una serie numérica distinta y se estudia de forma independiente.
«En todo el intervalo hay convergencia absoluta»
La convergencia es absoluta en el interior. En los extremos puede ser absoluta, condicional o no existir.
«R=∞ tiene extremos que probar»
No hay extremos reales finitos; la serie converge para todo x∈ℝ.
«R=0 significa que la serie nunca converge»
Siempre converge en el centro, donde solo queda el término constante.
21 · Práctica y síntesis
Ejercicios de radio e intervalo
Ejercicio 1: dos extremos incluidos
Hallá el intervalo de ∑(x−2)ⁿ/n².
Ver solución
El radio es 1 y el interior (1,3). En ambos extremos aparece una serie de magnitudes 1/n², por lo que ambos convergen absolutamente. Intervalo: [1,3].
Ejercicio 2: escala geométrica
Estudiá ∑n(x+4)ⁿ/5ⁿ.
Ver solución
El cociente tiende a |x+4|/5, así que R=5 e interior (−9,1). En ambos extremos los términos tienen magnitud n y no tienden a cero. Intervalo: (−9,1).
Ejercicio 3: radio infinito
Calculá el radio de ∑(x−7)ⁿ/(2ⁿn!).
Ver solución
El cociente absoluto es |x−7|/[2(n+1)]→0 para todo x. Por lo tanto, R=∞.
Ejercicio 4: potencia par
Determiná el intervalo de ∑x²ⁿ/4ⁿ.
Ver solución
Es geométrica con razón x²/4. Converge si |x|<2. En x=±2 los términos valen 1, así que diverge. Intervalo: (−2,2).
Ejercicio 5: extremo condicional
Hallá el intervalo de ∑(−1)ⁿ(x−1)ⁿ/n.
Ver solución
El radio es 1 y el interior (0,2). En x=0 aparece ∑1/n, divergente; en x=2 aparece ∑(−1)ⁿ/n, convergente. Intervalo: (0,2].
Ideas para recordar
- El radio mide una distancia desde el centro; el intervalo enumera valores de
x. - Dentro del radio hay convergencia absoluta y fuera hay divergencia.
- El cociente suele dar
R=1/A; la raíz ofrece una fórmula más general. - Los criterios que calculan el radio son inconclusos en la frontera.
- Cada extremo debe sustituirse y analizarse como una serie numérica.
- Los extremos admiten las cuatro combinaciones de inclusión posibles.
- Un radio infinito no tiene extremos finitos; un radio cero conserva el centro.
- Cambiar una cantidad finita de términos no modifica el radio.
En el próximo tema aprenderemos a sumar, multiplicar, derivar e integrar series de potencias dentro de su región de convergencia.