Criterio de Dirichlet para la convergencia de series

Demostramos el criterio de Dirichlet para la convergencia de series y damos ejemplos de aplicación.

    Enunciado
  1. Sea $(\lambda_n)$ una sucesión monótona y acotada de números reales y $(s_n)$ una sucesión acotada de vectores de un espacio normado $E.$ Sea $u_n=(\lambda_n-\lambda_{n+1})u_n$. Demostrar que la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}u_n$ es absolutamente convergente.
  2. Demostrar el criterio de Dirichlet para la convergencia de series:
    Sea $E$ un espacio de Banach. Consideremos la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}x_n$ en donde:
    $(a)$ $x_n=\lambda_n y_n$ con $\lambda_n\in\mathbb{R}$ e $y_n\in E$ para todo $n.$
    $(b)$ $(\lambda_n)$ es monótona con límite $0.$
    $(c)$ Las sumas parciales de la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}y_n$ están acotadas.
    Entonces, la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}x_n$ es convergente.
  3. Usando el criterio de Dirichlet, demostrar que la siguiente serie es convergente $$\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\dfrac{\textrm{sen}\;(n\pi/2)}{n}.$$
  4. Demostrar el criterio de Leibniz para series alternadas a partir del criterio de Dirichlet.
    Solución
  1. Como $(s_n)$ está acotada, existe un $K$ tal que $ \left\|{s_n}\right\|\leq K$ para todo $n.$ Por tanto $$\displaystyle\sum_{k=1}^n \left\|{u_k}\right\|=\displaystyle\sum_{k=1}^n \left |{\lambda_k-\lambda_{k+1}}\right | \left\|{s_k}\right\|\leq K\displaystyle\sum_{k=1}^n \left |{\lambda_k-\lambda_{k+1}}\right |.$$ Dado que $(\lambda_n)$ es monótona (bien creciente, bien decreciente) deducimos que $$\displaystyle\sum_{k=1}^n \left |{\lambda_k-\lambda_{k+1}}\right |=\left |{\lambda_1-\lambda_{n+1}}\right |.$$ Al ser $(\lambda_n)$ sucesión monótona y acotada, tiene límite $\lambda$ y claramente se verifica $\left |{\lambda_1-\lambda_{n+1}}\right |\leq \left |{\lambda_1-\lambda}\right |.$ Es decir, tenemos para todo $n:$ $$\displaystyle\sum_{k=1}^n \left\|{u_k}\right\|\leq K\left |{\lambda_1-\lambda}\right |.$$ La serie de términos positivos $\sum_{n=1}^{+\infty} \left\|u_n \right\|$ es convergente al tener las sumas parciales acotadas, lo cual equivale a decir que $\sum_{n=1}^{+\infty} u_n$ es absolutamente convergente.
  2. Llamando $s_n=y_1+\ldots+y_n$ tenemos $$\displaystyle\begin{aligned}
    x_1+x_2+\ldots+x_n&=\lambda_1y_1+\ldots+\lambda_ny_n\\
    &=\lambda_1s_1+\lambda_2(s_2-s_1)+\ldots+\lambda_n(s_n-s_{n-1})\\
    &=(\lambda_1-\lambda_2)s_1+\ldots+(\lambda_{n-1}-\lambda_n)s_{n-1}+\lambda_ns_n\\
    &=\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1} (\lambda_k-\lambda_{k+1})s_k+\lambda_ns_n.
    \end{aligned}$$ Consideremos la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}u_n$ siendo $u_n=(\lambda_n-\lambda_{n+1})s_n$. La sucesión $(\lambda_n)$ es monótona y al tener límite, está acotada. La sucesión $(s_n)$ está acotada por hipótesis. Por el problema anterior, la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}u_n$ es absolutamente convergente y por ser $E$ espacio de Banach, también es convergente. Es decir, existe $$l=\displaystyle\lim_{n \to{+}\infty} \displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}(\lambda_k-\lambda_{k+1})s_k\in E.$$ Dado que $(\lambda_n)\to 0$ y $(s_n)$ está acotada se verifica $(\lambda_ns_n)\to 0.$ Entonces $$\displaystyle\begin{aligned}
    \displaystyle\lim_{n \to{+}\infty}(x_1+x_2+\ldots+x_n)&=\displaystyle\lim_{n \to{+}\infty}\left(\sum_{k=1}^{n-1} (\lambda_k-\lambda_{k+1})s_k+\lambda_ns_n\right)\\
    &=\displaystyle\lim_{n \to{+}\infty}\sum_{k=1}^{n-1} (\lambda_k-\lambda_{k+1})s_k\\
    &=l.
    \end{aligned}$$ Hemos pues demostrado que $\sum_{n=1}^{+\infty}x_n$ es convergente.
  3. Consideramos en este caso $ E=\mathbb{R} $, que sabemos que es espacio de Banach con la norma del valor absoluto. La sucesión $\lambda_n=1/n$ es monótona y con límite $0.$ Por otra parte, la serie de término general $y_n=\textrm{sen}\;(n\pi/2)$ tiene sus sumas parciales $s_n$ acotadas pues tal sucesión es $(1,1,0,0,1,1,\ldots).$ Como consecuencia del criterio de Dirichlet, la serie dada es convergente.
  4. Sea la serie $\sum_{n=1}^{+\infty}(-1)^na_n$ con $a_n$ monótona decreciente y límite $0.$ Como $y_n=(-1)^n$ tiene las sumas parciales acotadas y $\lambda_n=a_n$ es monótona con límite $0,$ se deduce del criterio de Dirichlet que $\sum_{n=1}^{+\infty}\lambda_ny_n=\sum_{n=1}^{+\infty}(-1)^na_n$ es convergente.
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