Soma finita da PG

Somas de crescimento multiplicativo

Some rapidamente os primeiros termos de uma PG e use a fórmula em problemas de crescimento por etapas.

Fórmulas da soma finita

Para n inteiro positivo e q≠1:

Sₙ=a₁(qⁿ−1)/(q−1)
Sₙ=a₁(1−qⁿ)/(1−q)

Como aₙ₊₁=a₁qⁿ, também para q≠1:

Sₙ=(a₁−aₙ₊₁)/(1−q)=(aₙ₊₁−a₁)/(q−1)

Dedução por cancelamento

Sₙ=a₁+a₁q+...+a₁qⁿ⁻¹

qSₙ=a₁q+a₁q²+...+a₁qⁿ

Subtraindo, os termos intermediários se cancelam.

(q−1)Sₙ=a₁(qⁿ−1)

A divisão final por q−1 explica por que essa forma exige q≠1.

Soma de um trecho

Para 1≤p≤m e q≠1:

aₚ+aₚ₊₁+...+aₘ=aₚ(1−qᵐ⁻ᵖ⁺¹)/(1−q)

Adotando S₀=0, também:

aₚ+...+aₘ=Sₘ−Sₚ₋₁

A quantidade de termos é m−p+1. Não use q simultaneamente como razão e índice.

Casos especiais

  • q=1: Sₙ=na₁.
  • q=0: se a₁≠0, Sₙ=a₁ para todo n≥1.
  • q=−1: Sₙ=0 para n par e Sₙ=a₁ para n ímpar.
  • Razão negativa: a fórmula continua válida e os sinais alternam.
  • Termos negativos: preserve os parênteses ao substituir.

Somas alternadas

Em razões negativas, o sinal de qⁿ depende da paridade de n. Para 8, −4, 2, −1, com q=−1/2:

S₄=8[1−(−1/2)⁴]/[1−(−1/2)]=5

Com q=−1, o cancelamento é completo em quantidades pares e sobra a₁ em quantidades ímpares.

Problemas inversos

a₁: S₄=30 e q=2 dão 30=a₁(2⁴−1), logo a₁=2.

q: a₁=2, n=3 e S₃=14 dão q=2 ou q=−3.

n: na PG 3, 6, ..., Sₙ=93 dá 3(2ⁿ−1)=93, então n=5.

Último termo: a₁=2, q=2 e n=5 dão a₅=32.

Parâmetro: se aₙ=x·2ⁿ⁻¹ e a₃+...+a₅=84, então 28x=84 e x=3.

Aplicações

Árvores e campanhas

Níveis ou dias com multiplicação constante formam 1, q, q², ...; some apenas as etapas pedidas.

Subdivisões e figuras

Se cada peça gera 4 novas, as quantidades 1, 4, 16, 64 somam 85.

Depósitos e população

Valores sucessivos 100, 200, 400, 800 totalizam 1.500. Em população, diferencie o total em um instante da soma de observações.

Padrões de algarismos

9+90+900+9000=9999 é uma soma geométrica de razão 10.

Contagem de etapas

Do instante 0 ao fim do quarto ciclo há cinco observações. Do primeiro ao quinto nível há cinco termos. Defina explicitamente o primeiro índice antes de usar n.

Se o último termo for conhecido, determine n por aₙ=a₁qⁿ⁻¹ e só então calcule a soma.

Pegadinhas

  • Usar denominadores 1−q ou q−1 quando q=1.
  • Confundir qⁿ com qⁿ⁻¹.
  • Usar m−p em vez de m−p+1 na soma de trecho.
  • Subtrair Sₚ em vez de Sₚ₋₁.
  • Ignorar uma segunda razão real em problemas inversos.
  • Contar o instante inicial duas vezes.

Questões resolvidas

1. Razão negativa

Some 6, −3, 3/2, −3/4, 3/8.

a₁=6, q=−1/2 e n=5.

S₅=6[1−(−1/2)⁵]/[1+1/2]=33/8.

2. Descobrir n

Na PG 2, 6, 18, ..., some até o termo 486.

486=2·3ⁿ⁻¹, então n=6.

S₆=2(3⁶−1)/(3−1)=728.

3. Soma de trecho

Na PG 2, 6, 18, ..., some de a₃ até a₆.

a₃=18 e há 4 termos.

A soma é 18(3⁴−1)/(3−1)=720.

Também vale S₆−S₂=728−8=720.

4. Duas razões possíveis

Uma PG tem a₁=2, n=3 e S₃=14. Determine q.

2(1+q+q²)=14.

q²+q−6=0.

As razões q=2 e q=−3 satisfazem a soma.

5. Árvore de possibilidades

Uma árvore começa com 2 ramos e cada ramo gera 3 no nível seguinte. Quantos ramos aparecem nos cinco primeiros níveis?

Os níveis têm 2, 6, 18, 54 e 162 ramos.

S₅=2(3⁵−1)/(3−1)=242.

Exercícios

Fácil

1. Para q=1, a soma dos n termos é:

A) a₁B) na₁C) a₁/(1−q)D) zero
Fácil

2. Quanto vale 3+6+12+24?

A) 42B) 45C) 48D) 51
Médio

3. Quanto vale 8−8+8−8+8?

A) −8B) 0C) 8D) 16
Médio

4. Na PG a₁=2 e q=3, qual é a soma de a₃ até a₅?

A) 216B) 222C) 228D) 234
Médio

5. Se a₁=−7 e q=0, quanto vale S₂₀?

A) −7B) 0C) 7D) −140
Difícil

6. Uma PG tem a₁=2, três termos e soma 14. Quais razões reais são possíveis?

A) somente 2B) somente −3C) 2 e −3D) 3 e −2
Difícil

7. Na PG aₙ=x·2ⁿ⁻¹, a soma de a₃ até a₅ é 84. Quanto vale x+a₆?

A) 96B) 99C) 102D) 105
Difícil

8. Uma árvore começa com 2 ramos e cada ramo gera 3 no nível seguinte. Qual é o total nos cinco primeiros níveis e quantos estão no último?

A) 120 e 81B) 121 e 81C) 240 e 160D) 242 e 162

Gabarito comentado:

1-B: Todos os n termos são iguais a a₁.

2-B: A soma direta é 45.

3-C: Com q=−1, os quatro primeiros termos cancelam e sobra 8.

4-D: a₃=18; 18+54+162=234.

5-A: Com q=0, somente a₁ é não nulo, então toda soma parcial vale −7.

6-C: 2(1+q+q²)=14 produz q²+q−6=0, logo q=2 ou q=−3.

7-B: a₃+a₄+a₅=(4+8+16)x=28x=84, então x=3; a₆=96 e a soma pedida é 99.

8-D: Os níveis são 2, 6, 18, 54 e 162; o total é 242.

Resumo final

  • As fórmulas fracionárias da soma exigem q≠1.
  • Para q=1, Sₙ=na₁; q=0 e q=−1 têm comportamentos próprios.
  • De aₚ a aₘ há m−p+1 termos.
  • Um trecho pode ser somado diretamente ou por Sₘ−Sₚ₋₁, com S₀=0.
  • Problemas inversos podem ter mais de uma razão real.
  • Conte instantes, níveis e períodos antes de substituir.