Suma de series

Project ID: 
3000020046
Question: 

Tomás y Anna resolvieron el siguiente problema:

En una progresión geométrica infinita convergente $(a_n )$ con términos positivos, el primer término es igual a $4$. Halla la suma de todos los términos de esta progresión si $a_3-a_5=\frac{32}{81}$.

Tanto Tomás como Anna sabían que en la progresión geométrica $(a_n )$ con la razón común $r$ $$ a_3 =a_1 r^2,a_5 =a_1 r^4 $$ y así, establecieron la ecuación: $$ a_1 r^2 -a_1 r^4=\frac{32}{81} $$ Sustituyeron $a_1$ por $4$ y obtuvieron: $$ \begin{gather} 4r^2-4r^4=\frac{32}{81} \cr 81r^2-81r^4=8 \end{gather} $$

Tomás luego continuó así:

(1) Reescribió la última ecuación como: $$ 81(r^2 )^2-81r^2+8=0 $$

(2) Luego redujo la ecuación anterior a una ecuación cuadrática mediante el cambio de variable $t=r^2$: $$ 81t^2-81t+8=0 $$

(3) Solucionó la ecuación cuadrática utilizando la fórmula cuadrática: $$ \begin{gather} t_{1,2}=\frac{81\pm \sqrt{(-81)^2-4 \cdot 81 \cdot 8}}{2 \cdot 81} \cr t_{1,2}=\frac{81\pm \sqrt{81(81-32) }}{162} \cr t_{1,2}=\frac{81\pm {63}}{162} \cr t_1=\frac19,~ t_2=\frac89 \end{gather} $$

(4) Por último, calculó las sumas de series infinitas $(a_n )$: $$ S_1=\frac{4}{1-\frac19}=\frac92,~~S_2=\frac{4}{1-\frac89}=36 $$ Tom llegó a la conclusión de que hay dos progresiones geométricas infinitas con las propiedades dadas y sus sumas son: $$ S_1=\frac92,~S_2=36 $$

Anna procedió así:

(1) Reescribió la última ecuación como: $$ (9r^2 )^2-9 \cdot (3r)^2+8=0 $$

(2) Luego utilizó el cambio de variable $$ u=3r $$ y modificó la ecuación: $$ u^4-9u^2+8=0 $$

(3) Resolvió la ecuación anterior mediante factorización: $$ \begin{gather} (u^2-1)(u^2-8)=0 \cr u^2=1 \mathrm{~or~} u^2=8 \cr u=\pm 1\mathrm{~or~} u=\pm \sqrt8 \end{gather} $$

(4) Por último, determinó la razón común $r$ de la progresión: $$ r=\frac13, ~~r=\frac{\sqrt8}3 $$

(5) Sólo le quedaba calcular las sumas de las series infinitas: $$ \begin{gather} S_1=\frac{4}{1-\frac13}=6 \cr S_2=\frac{4}{1-\frac{\sqrt8}{3}}=\frac{12}{3-\sqrt8}=12(3+\sqrt8)=36+24\sqrt2 \end{gather} $$

Anna llegó a la conclusión de que hay dos progresiones geométricas infinitas con las propiedades dadas y sus sumas son: $$ S_1=6,~~S_2=36+24 \sqrt2 $$

El profesor les pidió a sus compañeros que comentaran sus soluciones. ¿Qué comentario es el correcto?

Answer 1: 

Anna obtuvo el resultado correcto.

Answer 2: 

Tomás obtuvo el resultado correcto.

Answer 3: 

La solución de Anna no está completa. Faltan dos resultados: $r=-\frac13$ y $r=-\frac{\sqrt8}3$, lo que significa que hay otras dos progresiones geométricas infinitas con las propiedades dadas. Sus sumas son: $$ S_3=\frac{4}{1+ \frac13}=3 $$ y $$ S_4=\frac{4}{1+\frac{\sqrt8}{3}}=\frac{12}{3+\sqrt8}=12(3-\sqrt8)=36-24\sqrt2 $$

Answer 4: 

Ambos cometieron un error desde el principio. El término general de la progresión geométrica $(a_n )$ con razón común $r$ viene dado por la fórmula $$ a_n=a_1 r^n $$ Por lo tanto, deberían haber resuelto la ecuación: $$ a_1 r^3-a_1 r^5=\frac{32}{81} $$

Correct Answer: 
Answer 1