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QA #1 Series

background image

QuestionsΒ andΒ AnswersΒ SheetΒ 1

Β 

Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β Β  Β SeriesΒ 

Β 

QuestionΒ #1Β 

WhichΒ statementΒ is trueΒ forΒ theΒ followingΒ series?Β Β 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

π‘˜

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β 

1.Β CannotΒ beΒ determinedΒ 

2.Β DivergentΒ 

3.Β Conditionally convergentΒ Β 

4.Β Absolutely convergent

Β 

Answer:Β 

GivenΒ thatΒ 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

π‘˜

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β 

AΒ seriesΒ Β \

π‘ π‘’π‘š

𝑛=1

∞

π‘Ž

𝑛

Β Β is calledΒ absolutely ConvergentΒ ifΒ 

Β 

βˆ‘

|π‘Ž

𝑛

|

∞

𝑛=1

Β Β is Convergen.Β 

AndΒ ifΒ Β 

βˆ‘

|π‘Ž

𝑛

|

∞

𝑛=1

Β Β isΒ divergentΒ butΒ 

βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β is Convergent.Β 

HereΒ Β 

βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β is calledΒ Conditionally Convergent.Β 

HereΒ Β 

π‘Ž

π‘˜

=

(βˆ’1)

π‘˜

5π‘˜+6

Β Β 

Β 

βˆ‘

|π‘Ž

𝑛

|

∞

π‘˜=1

=Β βˆ‘

1

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β 

LimitΒ compoisonΒ test.Β 
ifΒ Β 

βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β andΒ Β 

βˆ‘

𝑏

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β areΒ twoΒ seriesΒ andΒ letΒ 

lim

π‘Ž

𝑛

𝑏

𝑛

=Β 1

Β Β nonΒ zeroΒ finiteΒ numberΒ 

thenΒ Β 

βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β andΒ Β 

βˆ‘

𝑏

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β bothΒ ConvergentΒ orΒ bothΒ divergentΒ 

Β 

∴

Β Β letΒ Β 

𝑏

π‘˜

=

1

π‘˜

Β Β 

Β 

∴ lim

π‘˜β‡’π‘

π‘˜

π‘ž

π‘˜

𝑏

π‘˜

=Β lim

1

5π‘˜+6

1
π‘˜

Β Β 

Β 

β‡’Β lim

π‘˜β‡’π‘

π‘˜

π‘ž

π‘˜

𝑏

π‘˜

=Β lim

π‘˜β‡’π‘

π‘˜

Β 

π‘˜

5π‘˜+6

=

1

5

β‰ Β 0

Β Β finiteΒ numberΒ 

Β 

β‡’Β βˆ‘

1

π‘˜

∞

π‘˜=1

Β Β andΒ Β 

βˆ‘

1

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β bothΒ conv.Β orΒ div.Β 

SinceΒ Β 

βˆ‘

1

π‘˜

∞

π‘˜=1

Β is divergentΒ thereforeΒ Β 

βˆ‘

1

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β is divergentΒ byΒ limitΒ CompoisonΒ testΒ 

Β 

β‡’Β βˆ‘

(βˆ’1)

π‘˜

5π‘˜+6

∞

π‘˜=1

Β Β canΒ notΒ beΒ absolutelyΒ Convergent.Β 

Now.Β LeibnitzΒ seriesΒ test.Β 
Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

π‘˜

π‘Ž

π‘˜

∞

π‘˜=1

Β Β is series,Β thenΒ itΒ is ConvergentΒ ifΒ itΒ is satisfieΒ following.Β 

1)Β Β 

lim

π‘˜β‡’βˆž

π‘Ž

π‘˜

=Β 0

Β Β 

2)Β Β 

π‘Ž

π‘˜+1

β‰€Β π‘Ž

π‘˜

,Β βˆ€π‘˜.

Β Β 

Β 

∴ lim

π‘˜β‡’βˆž

π‘Ž

π‘˜

=Β lim

π‘˜β‡’βˆž

1

5π‘˜+6

Β Β 

Β 

lim

π‘˜β‡’βˆž

π‘Ž

π‘˜

=Β 0

Β Β 

AndΒ Β 

π‘Ž

π‘˜+1

βˆ’Β π‘Ž

π‘˜

=

1

5π‘˜+5+6

βˆ’

1

5π‘˜+6

Β Β 

Β 

5π‘˜+6βˆ’5π‘˜βˆ’11

(5π‘˜+6)(5π‘˜+11)

Β Β 

Β 

βˆ’5

(5π‘˜+6)(5π‘˜+11)

<Β 0

Β Β 

Β 

β‡’Β π‘Ž

π‘˜+1

<Β π‘Ž

π‘˜

βˆ€π‘˜Β βˆˆΒ π‘

Β Β 

β‡’Β βˆ‘Β βˆžπ‘˜Β =Β 1

(βˆ’1)

π‘˜

5π‘˜+6

Β Β satisfies bothΒ propertyΒ thereforeΒ itΒ is ConvergentΒ by LeinbnitzΒ testΒ andΒ ConditionallyΒ 

Convergent.Β SoΒ optionΒ 3Β is correct.

Β 

Β 

background image

QuestionΒ #2Β 

SelectΒ theΒ FIRSTΒ correctΒ reasonΒ why theΒ givenΒ deriesΒ converges.Β 

A.Β ConvergentΒ geometric seriesΒ 

B.Β ConvergentΒ pΒ seriesΒ 

C. ComparisonΒ (ofΒ LimitΒ Comparison)Β withΒ aΒ geometric orΒ pΒ seriesΒ 

D. ConvergesΒ by alternatingΒ series testΒ 

1.Β 

π‘ƒπ‘†πΎΒ βˆ‘

sin

2

(3𝑛)

𝑛

2

∞

𝑛=1

Β Β 

2.Β Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛

ln(𝑒

𝑛

)

𝑛

4

cos(𝑛π)

∞

𝑛=1

Β Β 

3.Β Β 

βˆ‘

cos(𝑛π)

ln(4𝑛)

∞

𝑛=1

Β Β 

4.Β Β 

βˆ‘

2(4)

𝑛

6

2𝑛

∞

𝑛=1

Β Β 

5.Β Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛

2𝑛+6

∞

𝑛=1

Β Β 

6.Β Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

π‘›Β βˆšπ‘›

𝑛+4

∞

𝑛=1

Β 

Β 

Answer:Β 

1)Β Β 

π‘Ž

𝑛

=

sin

2

(3𝑛)

𝑛

2

,Β β€ˆ

𝑛

=

1

𝑛

2

Β 

ConvergesΒ by comparsionΒ withΒ p-seriesΒ 

Β 

β†’

Β Β optionΒ (C)Β 

2)Β Β 

π‘Ž

𝑛

=

(βˆ’1)

𝑛

ln(𝑒

𝑛

)

𝑛

4

cos(𝑛π)

=

(βˆ’1)

𝑛

𝑛 ln(𝑒)

𝑛

4

(βˆ’1)

𝑛

=

1

𝑛

3

Β Β 

Β 

β†’

Β Β convergentΒ p-seriesΒ 

Β 

β†’

Β Β optionΒ (B)

Β 

QuestionΒ #3Β 

DetermineΒ ifΒ theΒ followingΒ seriesΒ is convergentΒ orΒ divergentΒ 

a)Β Β 

βˆ‘

1

𝑛 ln 𝑛

∞

𝑛=2

Β Β 

b)Β Β 

βˆ‘

𝑛𝑒

βˆ’π‘›

2

∞

𝑛=0

Β Β Β 

c)Β Β 

βˆ‘

1

βˆšπ‘›

∞

𝑛=1

Β Β Β 

d)Β 

βˆ‘

1

𝑛

7

∞

𝑛=4

Β Β 

Answer:Β 

background image

Β 

Β 

QuestionΒ #4Β 

background image

FindΒ aΒ powerΒ series forΒ theΒ function,Β centeredΒ atΒ c,Β andΒ determineΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergence.Β Β 

𝑔(π‘₯)Β =

3

2π‘₯βˆ’1

, 𝑐 =Β 2

Β 

Answer:Β 

Geometric PowerΒ Series CenteredΒ atΒ c:Β TheΒ geometric powerΒ seriesΒ Β 

centeredΒ atΒ cΒ is aΒ series ofΒ theΒ formΒ Β 

Β 

π‘Ž

1βˆ’(π‘Ÿβˆ’π‘)

=Β βˆ‘

π‘Ž(π‘ŸΒ βˆ’Β π‘)

𝑛

∞

𝑛=0

,Β |π‘ŸΒ βˆ’Β π‘|Β <Β 1

Β Β 

whereΒ aΒ is theΒ firstΒ termΒ andΒ rΒ -cΒ is theΒ commonΒ ratio.Β Β 

TheΒ functionΒ is givenΒ byΒ Β 

Β 

\𝑓(π‘₯)Β =

3

2π‘₯βˆ’1

, 𝑐 =Β 2

Β Β Β 

WritingΒ 

𝑓(π‘₯)

Β inΒ theΒ formΒ Β 

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β producesΒ Β 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=

3

2(π‘₯βˆ’2)+3

Β Β 

Β 

=

3

3(1+

2
3

(π‘₯βˆ’2))

Β Β Β 

Β 

=

1

(1+

2
3

(π‘₯βˆ’2))

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

whichΒ impliesΒ thatΒ 

π‘ŽΒ =Β 1

Β andΒ vrΒ 

=Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

Β Β 

StepΒ 2Β Β 

So,Β theΒ powerΒ series forΒ f(x)Β isΒ Β 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=Β βˆ‘

π‘Žπ‘Ÿ

𝑛

∞

𝑛=0

Β Β Β 

Β 

=Β βˆ‘

[βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)]

𝑛

∞

𝑛=0

Β Β Β 

Β 

=Β βˆ‘

(βˆ’

2

3

)

𝑛

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

𝑛

∞

𝑛=0

Β Β Β 

Β 

=Β 1Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)Β +

4

9

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

2

βˆ’

8

27

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

3

+

Β Β Β 

This powerΒ series converges whenΒ Β 

𝑣

2

3

|π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <Β 1Β β‡’Β |π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <

3

2

Β Β Β 

Β 

β‡’Β βˆ’

3

2

<Β π‘₯Β βˆ’Β 2Β <

3

2

Β Β Β 

Β 

β‡’Β 2Β βˆ’

3

2

<Β π‘₯Β <Β 2Β +

3

2

Β Β Β 

Β 

β‡’

1

2

<Β π‘₯Β <Β 3

1

2

Β Β 

whichΒ impliesΒ thatΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergenceΒ is Β 

(

1

2

,Β 3β€ˆ

1

2

)

Β Β Β 

Therefore,Β theΒ powerΒ seriesΒ forΒ theΒ functionΒ Β 

𝑓(π‘₯)Β =

3

2π‘₯βˆ’1

Β ,c=2Β centeredΒ atΒ cΒ isΒ Β 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=Β 1Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)Β +

4

9

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

2

βˆ’

8

27

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

3

+

Β Β Β 

Also,Β theΒ intervalΒ ofΒ convergenceΒ is (1,3)Β 

QuestionΒ #5Β 

DetermineΒ whetherΒ theΒ geometric seriesΒ is convergentΒ orΒ divergent.Β IfΒ itΒ is convergent,Β findΒ its sum.Β Β 

4Β +

3Β +

9

4

+

27

16

+

Β 

Β 

Answer:Β 

background image

StepΒ 1Β 

ThisΒ is theΒ summationΒ ofΒ theΒ seriesΒ givenΒ 

Β 

βˆ‘

∞

𝑛=1

=

4

1

β‹…

3

π‘›βˆ’1

4

π‘›βˆ’1

Β Β 

StepΒ 2Β 

By simplifyingΒ theΒ sequence,Β weΒ canΒ seeΒ thatΒ theΒ summationΒ is aΒ geometric seriesΒ Β 

π‘Žπ‘Ÿ

π‘›βˆ’1

Β Β whereΒ 

π‘ŽΒ =Β 4

Β 

andΒ 

π‘ŸΒ =

3

4

Β Β sinceΒ r,Β theΒ seriesΒ is convergentΒ 

StepΒ 3Β 

definitionΒ ofΒ theΒ limitΒ ofΒ theΒ geometric seriesΒ isΒ Β 

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

Β 

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

=

4

1βˆ’

3
4

=Β 4Β β‹…Β 4Β =Β 16

Β 

Β 

QuestionΒ #6Β 

Β 

βˆ‘

∞

π‘₯=1

𝑛+6

𝑛

2

+12𝑛+8

Β 

Answer:Β 

Β 

βˆ‘

∞

π‘₯=1

𝑛+6

𝑛

2

+12𝑛+8

Β π‘π‘œπ‘›π‘£π‘’π‘Ÿπ‘”π‘’π‘ Β π‘€β„Žπ‘’π‘›Β 

𝑛+6

𝑛(𝑛+12)+8

=Β 0

Β Β 

Β 

QuestionΒ #7Β 

Β 

βˆ‘

∞

π‘₯=1

1

8

𝑛

Β 

Β 

Answer:Β 

Β 

π‘ π‘’π‘š

(π‘₯=1)

∞

1/8

𝑛

Β Β 

π‘π‘œπ‘›π‘£π‘’π‘Ÿπ‘”π‘’π‘ Β π‘€β„Žπ‘’π‘›

Β Β 

8

βˆ’π‘›

=Β 0

Β Β 

QuestionΒ #8Β 

WhichΒ ofΒ theΒ followingΒ statementsΒ areΒ true?Β 

1.If Β 

π‘Ž

𝑛

Β and 𝑓(𝑛)Β satisfyΒ theΒ requirementsΒ ofΒ theΒ integralΒ test,Β thenΒ βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

=Β βˆ«Β π‘“(π‘₯)𝑑π‘₯

∞

1

Β .Β 

2.Β TheΒ series Β 

βˆ‘

1

𝑛

𝑝

Β 

∞

𝑛=1

convergesΒ ifΒ pΒ >Β 1Β andΒ divergesΒ if 𝑝 ≀ 1

Β .Β 

3.Β TheΒ integralΒ testΒ does notΒ apply toΒ divergentΒ sequences.

Β 

Answer:Β 

1)IfΒ 

π‘Ž

𝑛

Β andΒ f(n)Β satistyΒ theΒ requirementsΒ ofΒ theΒ integralΒ test,Β thenΒ 

βˆ‘

π‘Ž

𝑛

∞

𝑛=1

=Β βˆ«Β π‘“(π‘₯)𝑑π‘₯

∞

1

.Β 

2)TheΒ seriesΒ 

βˆ‘

1

𝑛

𝑝

Β 

∞

𝑛=1

convergesΒ ifΒ pΒ >Β 1Β andΒ divergesΒ if 𝑝 ≀ 1

.Β Β 

3)Β TheΒ integralΒ testΒ canΒ beΒ appliedΒ toΒ bothΒ covergentΒ andΒ divergentΒ testedΒ 

ThereforeΒ E.Β OnlyΒ statementsΒ 1Β andΒ 2Β areΒ true

.

Β 

QuestionΒ #9Β 

FindΒ theΒ valueΒ ofΒ xΒ forΒ whichΒ theΒ series convergesΒ 

Β 

βˆ‘

(π‘₯Β +Β 2)

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β 

background image

FindΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ series forΒ thoseΒ values ofΒ x.

Β 

Answer:Β 

ConsiderΒ theΒ series Β 

βˆ‘

(π‘₯Β +Β 2)

𝑛

∞

𝑛=1

Β 

LetΒ Β 

π‘Ž

𝑛

=Β (π‘₯Β +Β 2)

𝑛

π‘Ž

𝑛+1

=Β (π‘₯Β +Β 2)

𝑛+1

Β Β 

Β 

π‘Ž

𝑛+1

π‘Ž

𝑛

=

(π‘₯+2)

𝑛+1

(π‘₯+2)

𝑛

Β Β 

Β 

=Β π‘₯Β +Β 2

Β Β 

Β 

lim

π‘›β†’βˆž

π‘Ž

𝑛+1

π‘Ž

𝑛

=Β lim

π‘›β†’βˆž

(|π‘₯Β +Β 2|)Β =Β |π‘₯Β +Β 2|

Β Β 

UsingΒ ratioΒ test,Β this willΒ converge,Β whenΒ 

Β 

|π‘₯Β +Β 2|Β <Β 1

Β Β 

Β 

βˆ’1Β <Β (π‘₯Β +Β 2)Β <Β 1

Β Β 

Β 

βˆ’3Β <Β π‘₯Β <Β βˆ’1

Β Β 

So,Β theΒ seriesΒ is converges atΒ theΒ valuesΒ liesΒ inΒ theΒ interval,Β 

(βˆ’3,Β βˆ’1)

Β 

AndΒ Β 

βˆ‘

(π‘₯Β +Β 2)

𝑛

∞

𝑛=1

=Β (π‘₯Β +Β 2)

1

+Β (π‘₯Β +Β 2)

2

+Β (π‘₯Β +Β 2)

3

+Β β‹―Β +Β (π‘₯Β +Β 2)

∞

Β Β 

Β 

=

π‘₯+2

1βˆ’(π‘₯+2)

Β Β 

Β 

=

π‘₯+2

βˆ’1βˆ’π‘₯

Β Β 

QuestionΒ #10Β 

StartingΒ withΒ theΒ geometric series Β 

βˆ‘

π‘₯

𝑛

∞

𝑛=0

Β ,Β findΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ seriesΒ 

Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

,Β β€ˆ|π‘₯|Β <Β 1

Β 

Β 

Answer:Β 

ConsiderΒ theΒ geometric series,Β 

Β 

βˆ‘

π‘₯

𝑛

∞

𝑛=0

=Β 1Β +Β π‘₯Β +Β π‘₯

2

+Β π‘₯

3

+Β β‹―

Β Β 

Β 

=

1

1βˆ’π‘₯

Β Β 

FindΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ series Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

,Β β€ˆ|π‘₯|Β <Β 1

Β Β 

Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

=Β 1Β +Β 2π‘₯Β +Β 3π‘₯

2

+Β 4π‘₯

3

+Β β‹―

Β Β 

Β 

=Β (1Β +Β π‘₯Β +Β π‘₯

2

+Β π‘₯

3

+Β β‹―Β )Β +Β (π‘₯Β +Β 2π‘₯

2

+Β 3π‘₯

2

+Β 4π‘₯

3

+Β β‹―Β )

Β Β 

Β 

=

1

1βˆ’π‘₯

+Β π‘₯(1Β +Β 2π‘₯Β +Β 3π‘₯

2

+Β 4π‘₯

3

+Β β‹―Β )

Β Β 

Β 

=

1

1βˆ’π‘₯

+Β π‘₯Β βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

Β Β 

Β 

β‡’Β βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

βˆ’Β π‘₯Β βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

=

1

1βˆ’π‘₯

Β Β 

Β 

(1Β βˆ’Β π‘₯)Β βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

=

1

1βˆ’π‘₯

Β Β 

Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

=

1

(1βˆ’π‘₯)

2

Β Β 

QuestionΒ #11Β 

FindΒ theΒ simΒ ofΒ eachΒ ofΒ theΒ followingΒ series.Β 

1)Β Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

𝑛

∞

𝑛=1

,Β β€ˆ|π‘₯|Β <Β 1

Β Β 

2)Β Β 

βˆ‘

𝑛

8

𝑛

∞

𝑛=1

Β 

Β 

Answer:Β 

background image

1)Β FindΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ seriesΒ Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

𝑛

∞

𝑛=1

,Β β€ˆ|π‘₯|Β <Β 1

Β Β 

Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

𝑛

∞

𝑛=1

=Β π‘₯Β +Β 2π‘₯

2

+Β 3π‘₯

3

+Β 4π‘₯

4

+Β β‹―

Β Β 

Β 

=Β π‘₯(1Β +Β 2π‘₯Β +Β 3π‘₯

2

+Β 4π‘₯

3

+Β β‹―Β )

Β 

Β 

=Β π‘₯Β βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

Β Β 

Β 

=Β π‘₯

1

(1βˆ’π‘₯)

2

Β Β 

Β 

=

π‘₯

(1βˆ’π‘₯)

2

Β Β 

2)Β FindΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ seriesΒ Β 

βˆ‘

𝑛

8

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β 

Β 

βˆ‘

𝑛

8

𝑛

∞

𝑛=1

=Β βˆ‘

𝑛 (

1

8

)

𝑛

∞

𝑛=1

Β Β 

CompareΒ withΒ 

π‘ƒπ‘†πΎΒ βˆ‘

𝑛π‘₯

𝑛

𝑍𝑆𝐾

∞

𝑛=1

,Β π‘‘β„Žπ‘’π‘›π‘ƒπ‘†πΎπ‘₯Β =

1

8

Β Β 

Β 

βˆ‘

𝑛π‘₯

π‘›βˆ’1

∞

𝑛=1

=

π‘₯

(1βˆ’π‘₯)

2

Β Β 

Β 

=

1/8

(1βˆ’

1
8

)

2

Β Β 

Β 

=

1/8

(7/8)

2

Β Β 

Β 

=

1/8

49/64

Β Β 

Β 

=

8

49

Β Β 

QuestionΒ #12Β 

DetermineΒ whetherΒ theΒ geometric seriesΒ is convergentΒ orΒ divergent.Β 

Β 

10Β βˆ’Β 4Β +Β 1.6Β βˆ’Β 0.64Β +Β β‹―

Β Β 

IfΒ itΒ convergent,Β findΒ theΒ sum.

Β 

Answer:

Β 

Β 

π‘ŽΒ =Β 10

Β Β 

Β 

π‘ŸΒ =

βˆ’4

10

=

βˆ’2

5

Β Β 

NowΒ sum:Β 

Β 

𝑆

𝑛

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

Β 

=

10

(1+

2
5

)

Β Β 

Β 

=

50

7

Β 

QuestionΒ #13Β 

LetΒ P(k)Β beΒ aΒ statementΒ thatΒ Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+Β β‹―Β +

1

π‘˜β‹…(π‘˜+1)

=

Β Β 

for:Β TheΒ basisΒ stepΒ toΒ proveΒ P(k)Β is thatΒ atΒ k =Β 1,Β _____Β isΒ true.Β 

for:ShowΒ thatΒ P(1)Β is trueΒ by completingΒ theΒ basis stepΒ proof.Β LeftΒ sideΒ ofΒ P(k)Β andΒ RightΒ sideΒ ofΒ P(k)Β 

for:Β IdentifyΒ theΒ inductiveΒ hypothesis usedΒ toΒ proveΒ P(k).Β 

for:Β IdentifyΒ theΒ inductiveΒ stepΒ usedΒ toΒ proveΒ P(k+1).

Β 

Answer:Β 

background image

LetΒ theΒ propertyΒ P(k)Β beΒ Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

π‘˜(π‘˜+1)

=

π‘˜

π‘˜+1

Β Β 

ShowΒ thatΒ P(k)Β is trueΒ forΒ allΒ integers Β 

π‘˜Β β‰₯Β 1

Β Β usingΒ mathematicalΒ inductionΒ 

Basis Step:Β P(k)Β is true:Β 

ThatΒ is toΒ showΒ thatΒ Β 

1

1β‹…2

=

1

1+1

Β Β 

TheΒ leftΒ handΒ sideΒ ofΒ theΒ equationΒ is Β 

1

1β‹…2

=

1

2

Β andΒ right-handΒ sideΒ isΒ 

Β 

1

1+1

=

1

2

Β Β 

ItΒ follows thatΒ Β 

1

2

=

1

2

Β Β 

HenceΒ P(1)Β is true.Β 

ShowΒ thatΒ forΒ all integers Β 

𝑛 β‰₯Β 1

Β ,Β P(k)Β is trueΒ thenΒ P(k+1)Β is alsoΒ true:Β 

SupposeΒ P(k)Β is true.Β 

ThenΒ theΒ inductiveΒ hypothesisΒ isΒ 

Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

π‘˜(π‘˜+1)

Β Β 

NowΒ showΒ thatΒ P(k+1)Β is true.Β 

ThatΒ is toΒ showΒ thatΒ 

Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

π‘˜(π‘˜+1)

+

1

(π‘˜+1)(π‘˜+2)

=

π‘˜+1

(π‘˜+1)+1

Β Β 

Or,Β equivalently thatΒ 

Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

(π‘˜+1)(π‘˜+2)

=

π‘˜+1

π‘˜+2

Β Β 

TheΒ left-handΒ sideΒ ofΒ P(k+1)Β isΒ 

Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

π‘˜(π‘˜+1)

+

1

(π‘˜+1)(π‘˜+2)

Β Β 

Β 

=

π‘˜

π‘˜+1

+

1

(π‘˜+1)(π‘˜+2)

Β 

Β 

=

1

π‘˜+1

(π‘˜Β +

1

π‘˜+2

)

Β Β 

Β 

=

1

π‘˜+1

(

π‘˜

2

+2π‘˜+1

π‘˜+2

)

Β Β 

Β 

=

1

π‘˜+1

(

(π‘˜+1)

2

π‘˜+2

)

Β 

Β 

=

1

π‘˜+1

(π‘˜+1)

2

π‘˜+2

Β Β 

Β 

=

π‘˜+1

π‘˜+2

Β Β 

whichΒ isΒ rightΒ handΒ sideΒ ofΒ P(k+1)Β 

HenceΒ fromΒ theΒ principleΒ ofΒ mathematicalΒ induction,Β 

Β 

1

1β‹…2

+

1

2β‹…3

+

1

3β‹…4

+Β β‹―Β +

1

𝑛(𝑛+1)

=

𝑛

𝑛+1

Β Β is true,Β forΒ allΒ integersΒ Β 

𝑛 β‰₯Β 1

Β 

Β 

QuestionΒ #14Β 

TestΒ theΒ series forΒ convergenceΒ orΒ divergence.Β 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

Β Β 

Answer:Β 

Given:Β 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

Β Β 

background image

OnΒ applyingΒ radicalΒ ruleΒ 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

=Β βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

(𝑛+4)

1/2

∞

𝑛=0

Β 

OnΒ applyingΒ ruleΒ exponentΒ ruleΒ 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

=Β βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

(𝑛 +Β 4)

βˆ’1

2

∞

𝑛=0

Β Β 

OnΒ simplifying,Β 

Β 

(𝑛 +Β 4)

βˆ’1

2

=

1

βˆšπ‘›+4

Β Β 

Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

=Β βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

Β Β 

OnΒ applyingΒ theΒ alternatingΒ series testΒ theΒ functionΒ convergesΒ 

therefore,Β Β 

βˆ‘

(βˆ’1)

𝑛+1

βˆšπ‘›+4

∞

𝑛=0

Β Β converges

Β 

QuestionΒ #15Β 

UsingΒ only theΒ definitionΒ ofΒ RiemannΒ sumΒ andΒ yourΒ knowledgeΒ ofΒ limits,Β computeΒ theΒ exactΒ areaΒ underΒ theΒ 

curveΒ Β 

2π‘₯

2

Β Β betweenΒ 

π‘₯Β =Β βˆ’2

Β andΒ 

π‘₯Β =Β 1

.

Β 

Answer:Β 

DivideΒ theΒ areΒ inΒ nΒ stripsΒ ofΒ rectanglesΒ withΒ breath:Β 

Β 

β–³Β π‘₯Β =

1βˆ’(βˆ’2)

𝑛

Β Β 

Β 

=

3

𝑛

Β Β 

NowΒ usingΒ rightΒ handΒ RiemannΒ sums theΒ areaΒ underΒ theΒ curveΒ Β 

2π‘₯

2

Β Β is:Β 

Β 

𝑆

𝑛

=β–³Β π‘₯Β βˆ‘

2(βˆ’2Β + 𝑖 △ π‘₯)

2

𝑛

𝑖=1

Β Β 

Β 

=

3

𝑛

βˆ‘

2Β (βˆ’2Β + 𝑖

3

𝑛

)

2

𝑛

𝑖=1

Β Β 

Β 

=

3

𝑛

βˆ‘

2Β (4Β βˆ’

12

𝑛

𝑖 +

9

𝑛

2

𝑖

2

)

𝑛

𝑖=1

Β Β 

Β 

=

24

𝑛

βˆ‘

1

𝑛

𝑖=1

βˆ’

72

𝑛

2

βˆ‘

𝑖

𝑛

𝑖=1

+

54

𝑛

3

βˆ‘

𝑖

2

𝑛

𝑖=1

Β Β 

Β 

=

24

𝑛

Γ—Β π‘›Β βˆ’

72

𝑛

2

Γ—

𝑛(𝑛+1)

2

+

54

𝑛

3

Γ—

𝑛(𝑛+1)(2𝑛+1)

6

Β Β 

Β 

=Β 24Β βˆ’Β 36Β (1Β +

1

𝑛

)Β +Β 9Β (1Β +

1

𝑛

)Β (2Β +

1

𝑛

)

Β Β 

NowΒ toΒ calculateΒ theΒ areaΒ decreaseΒ theΒ widthΒ ofΒ theΒ rectangularΒ stripsΒ toΒ infidecimalΒ valueΒ therebyΒ 

increasingΒ theΒ numberΒ ofΒ rectangles toΒ infinity.Β Β 

Finally theΒ requiredΒ areaΒ ofΒ theΒ rectangleΒ willΒ be:Β Β 

Β 

lim

π‘›β†’βˆž

𝑆

𝑛

=Β lim

π‘›β†’βˆž

24Β βˆ’Β 36Β (1Β +

1

𝑛

)

(1+

1
𝑛

)

(2Β +

1

𝑛

)

Β Β 

Β 

=Β 24Β βˆ’Β 36(1Β +Β 0)Β +Β 9(1Β +Β 0)(2Β +Β 0)

Β 

Β 

=Β 24Β βˆ’Β 36Β +Β 18

Β Β 

Β 

=Β 6

Β Β 

Thus,Β areaΒ underΒ theΒ curveΒ Β 

2π‘₯

2

Β is 6

Β 

QuestionΒ #16Β 

FindΒ theΒ coefficientΒ ofΒ 

Β 

π‘₯

5

𝑦

8

 𝑖𝑛 (π‘₯Β + 𝑦)

13

Β 

Β 

background image

Answer:Β 

BinomialΒ theoremΒ 

Β 

0

(

)

(Β )

n

n

nΒ j

j

j

n

x

y

x

y

j

βˆ’

=

+

=

οƒ₯

Β Β 

WeΒ areΒ interestedΒ inΒ theΒ termΒ Β 

π‘₯

5

𝑦

8

Β Β inΒ Β 

(π‘₯Β + 𝑦)

13

Β Β 

𝑛 =Β 13

Β 

𝑗 =Β 8

Β 

TheΒ coefficientΒ ofΒ this termΒ is thenΒ 

Β 

13

(Β )

(Β )

8

n

j

=

Β 

Β 

13

13!

13!

(Β )

(Β )

1287

8

8!(13Β 8)!

8!5!

n

j

=

=

=

=

βˆ’

Β 

Result:Β 1287

Β 

QuestionΒ #17Β 

WriteΒ outΒ heΒ firstΒ fourΒ terms ofΒ theΒ MaclaurinΒ seriesΒ ofΒ f(x)Β ifΒ Β 

𝑓(0)Β =Β 2, 𝑓(0)Β =Β 3, 𝑓(0)Β =Β 4, 𝑓(0)Β =Β 12

Β 

Β 

Answer:Β 

MaclaurinΒ series:Β 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β βˆ‘

𝑓

(𝑛)(0)

𝑛!

π‘₯

𝑛

∞

𝑛=0

= 𝑓(0)Β + 𝑓

β€²

(0)π‘₯Β +

𝑓

β€²β€²

(0)

2!

π‘₯

2

+

𝑓

β€²β€²β€²

(0)

3!

π‘₯

3

+

𝑓

(4)

(0)

4!

π‘₯

4

+Β β‹―

Β Β 

HereΒ givenΒ Β f(0)=2,f'(0)=3,f''(0)=4Β andΒ weΒ needΒ toΒ findΒ outΒ theΒ firstΒ 4Β terms ofΒ theΒ MaclaurinΒ SeriesΒ 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β βˆ‘

𝑓

(𝑛)

(0)

𝑛!

π‘₯

𝑛

∞

𝑛=0

= 𝑓(0)Β + 𝑓

β€²

(0)π‘₯Β +

𝑓

β€²β€²

(0)

2!

π‘₯

2

+

𝑓

β€²β€²β€²

(0)

3!

π‘₯

3

+Β β‹―

Β Β 

WeΒ needΒ toΒ findΒ 4Β termsΒ 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β 2Β +Β 3π‘₯Β +

4

2

π‘₯

2

+

12

6

π‘₯

3

Β Β 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β 2Β +Β 3π‘₯Β +Β 2π‘₯

2

+Β 2π‘₯

3

Β 

Result:Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β 2Β +Β 3π‘₯Β +Β 2π‘₯

2

+Β 2π‘₯

3

Β Β 

QuestionΒ #18Β 

DetermineΒ whetherΒ theΒ geometric seriesΒ is convergentΒ orΒ divergent.Β IfΒ itΒ is convergent,Β findΒ its sum.Β 

Β 

10Β βˆ’Β 2Β +Β 0.4Β βˆ’Β 0.008Β +Β β‹―

Β 

Β 

Answer:Β 

Geometric series:Β 

Β 

βˆ‘

π‘Ž

∞

𝑛=0

β‹…Β π‘Ÿ

𝑛

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

WhereΒ rΒ andΒ aΒ areΒ constantsΒ 

IfΒ 

|π‘Ÿ|Β <Β 1

,Β thenΒ theΒ seriesΒ converges toΒ Β 

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

Β 

10Β βˆ’Β 2Β +Β 0.4Β βˆ’Β 0.08 …

Β Β 

Β 

10Β +Β 10Β β‹…Β (βˆ’

1

5

)Β +Β 10Β β‹…Β (βˆ’

1

5

)

2

+Β 10Β β‹…Β (βˆ’

1

5

)

3

…

Β Β 

Β 

βˆ‘

10

∞

𝑛=0

β‹…Β (βˆ’

1

5

)

𝑛

Β 

background image

ThisΒ is aΒ geometric series withΒ commonΒ rationΒ Β 

π‘ŸΒ =Β βˆ’

1

5

Β Β andΒ Initial TermΒ Β 

π‘ŽΒ =Β 10

Β Β 

SinceΒ 

|π‘Ÿ|Β =

1

5

<Β 1

,Β theΒ givenΒ geometric seriesΒ converges.Β 

SumΒ ofΒ theΒ geometric seriesΒ isΒ 

Β 

𝑆 =

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

=

10

1βˆ’(βˆ’

1
5

)

=

10

1+

1
5

=

10

6
5

=

50

6

=

25

3

Β Β 

TheΒ seriesΒ converges toΒ Β 

25

3

Β 

Β 

QuestionΒ #19Β 

FindΒ aΒ powerΒ series representationΒ forΒ theΒ functionΒ andΒ determineΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergence.Β 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β 2/3Β βˆ’Β π‘₯

Β 

Β 

Answer:Β 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =

2

3βˆ’π‘₯

Β Β 

DivideΒ NumeratorΒ andΒ denominatorΒ by 3.Β ToΒ getΒ 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =

2
3

1βˆ’

π‘₯
3

Β Β 

NoteΒ thatΒ theΒ sumΒ ofΒ theΒ geometric seriesΒ withΒ InitialΒ termΒ aΒ andΒ commonΒ ratioΒ rΒ isΒ 

Β 

𝑆 =Β βˆ‘

π‘Žπ‘Ÿ

𝑛

∞

𝑛=0

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

TheΒ givenΒ functionΒ canΒ beΒ interpredΒ asΒ 

Β 

2
3

1βˆ’

π‘₯
3

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β 

Therefore,Β weΒ canΒ sayΒ thatΒ f(x)Β is aΒ sumΒ ofΒ aΒ geometric series withΒ initialΒ termΒ Β 

π‘ŽΒ =

2

3

Β Β andΒ commonΒ ratioΒ Β 

π‘ŸΒ =

π‘₯

3

Β Β 

Therefore,Β 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =Β βˆ‘

π‘Žπ‘Ÿ

𝑛

∞

𝑛=0

=Β βˆ‘

(

2

3

)Β (

π‘₯

3

)

𝑛

∞

𝑛=0

=Β βˆ‘

(

2

3

𝑛+1

)

∞

𝑛=0

β‹…Β π‘₯

𝑛

Β Β 

ThisΒ is theΒ powerΒ series representationΒ ofΒ f(x)Β 

WeΒ knowΒ thatΒ theΒ geometric series convergesΒ whenΒ Β 

|π‘Ÿ|Β =Β |⍁{π‘₯}{3}|Β <Β 1

Β Β 

Β 

|π‘₯|Β <Β 3

Β Β 

InttervalΒ ofΒ convergesΒ is Β 

(βˆ’3,3)

Β Β 

RadiusΒ ofΒ convergesΒ is 3Β 

QuestionΒ #20Β 

FindΒ aΒ powerΒ series forΒ theΒ function,Β centeredΒ atΒ c,Β andΒ determineΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergence.Β 

Β 

𝑔(π‘₯)Β =Β 3/2π‘₯Β βˆ’Β 1, 𝑐 =Β 2

Β 

Β 

Answer:Β 

Geometric PowerΒ Series CenteredΒ atΒ c:Β TheΒ geometric powerΒ series centeredΒ atΒ cΒ is aΒ series ofΒ theΒ formΒ 

Β 

π‘Ž

1βˆ’(π‘Ÿβˆ’π‘)

=Β βˆ‘

π‘Ž(π‘ŸΒ βˆ’Β π‘)

𝑛

∞

𝑛=0

,Β |π‘ŸΒ βˆ’Β π‘|Β <Β 1

Β Β 

whereΒ aΒ is theΒ firstΒ termΒ andΒ r-cΒ is theΒ commonΒ ratio.Β 

TheΒ functionΒ is givenΒ byΒ 

Β 

𝑓(π‘₯)Β =

3

2π‘₯βˆ’1

, 𝑐 =Β 2

Β Β 

background image

WritingΒ f(x)Β inΒ theΒ formΒ Β 

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β producesΒ 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=

3

2(π‘₯βˆ’βˆ’2)+3

Β Β 

Β 

=

3

3(1+

2
3

(π‘₯βˆ’2))

Β Β 

Β 

=

1

(1+

2
3

(π‘₯βˆ’2))

=

π‘Ž

1βˆ’π‘Ÿ

Β Β 

whichΒ impliesΒ thatΒ a=1Β andΒ Β 

π‘ŸΒ =Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

Β .Β 

So,Β theΒ powerΒ series forΒ f(x)Β isΒ 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=Β βˆ‘

π‘Žπ‘Ÿ

𝑛

∞

𝑛=0

Β 

Β 

=Β βˆ‘

[βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)]

𝑛

∞

𝑛=0

Β Β 

Β 

=Β βˆ‘

(βˆ’

2

3

)

𝑛

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

𝑛

∞

𝑛=0

Β 

Β 

=Β 1Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)Β +

4

9

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

2

βˆ’

8

27

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

3

+Β β‹―

Β Β 

This powerΒ series converges whenΒ 

Β 

2

3

|π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <Β 1Β β‡’Β |π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <

3

2

Β 

Β 

β‡’Β βˆ’

3

2

<Β π‘₯Β βˆ’Β 2Β <

3

2

Β Β 

Β 

β‡’

1

2

<Β π‘₯Β <Β 3

1

2

Β Β 

whichΒ impliesΒ thatΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergenceΒ is Β 

(

1

2

,Β 3

1

2

)

Β Β 

TheΒ powerΒ seriesΒ converges whenΒ 

Β 

2

3

|π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <Β 1Β β‡’Β |π‘₯Β βˆ’Β 2|Β <

3

2

Β Β 

Β 

β‡’Β βˆ’

3

2

<Β π‘₯Β βˆ’Β 2Β <

3

2

Β Β 

Β 

2Β βˆ’

3

2

<Β π‘₯Β <Β 2Β +

3

2

Β Β 

Β 

β‡’

1

2

<Β π‘₯Β <Β 3

1

2

Β Β 

whichΒ impliesΒ thatΒ theΒ intervalΒ ofΒ convergesΒ isΒ Β 

(

1

2

,Β 3

1

2

)

Β Β 

Therefore,Β theΒ powerΒ seriesΒ forΒ theΒ functionΒ Β 

𝑓(π‘₯)Β =

3

2π‘₯βˆ’1

, 𝑐 =Β 2

Β centeredΒ atΒ cΒ isΒ 

Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=Β 1Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)Β +

4

9

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

2

βˆ’

8

27

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

3

+Β β‹―

Β 

Also,Β theΒ intervalΒ ofΒ convergenceΒ is (1,3).Β 

FinalΒ answer:Β Β 

3

2π‘₯βˆ’1

=Β 1Β βˆ’

2

3

(π‘₯Β βˆ’Β 2)Β +

4

9

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

2

βˆ’

8

27

(π‘₯Β βˆ’Β 2)

3

+Β β‹―

Β Β 

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