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Sumatorios a partir de la serie geométrica: derivar término a término

La serie geométrica es el punto de partida de toda una familia de sumatorios. Su suma parcial se obtiene por el método telescópico —restar SNrSNS_N - r\,S_N colapsa casi todos los términos— y el límite NN\to\infty da la fórmula rn=11r\sum r^n = \tfrac{1}{1-r}, válida bajo la condición de convergencia r<1|r| < 1.

Las series aritmético-geométricas nkrn\sum n^k r^n se deducen de ella derivando término a término: cada aplicación del operador rddrr\tfrac{d}{dr} multiplica el término general por nn, de modo que kk aplicaciones sobre la geométrica producen la suma buscada. El procedimiento funciona igual con razón simbólica que numérica, sustituyendo el valor al final.

Por qué se puede derivar término a término. Sumar las derivadas de una serie infinita no siempre da la derivada de la suma, pero dentro del radio de convergencia de una serie de potencias. Para r<1|r|<1, la geométrica rn\sum r^n converge uniformemente en cada disco rρ<1|r|\le\rho<1, y un teorema clásico garantiza que ahí define una función analítica que puede derivarse (y sumarse) término a término sin alterar el resultado. Por eso aplicar rddrr\tfrac{d}{dr} a rn=11r\sum r^n=\tfrac{1}{1-r} es legítimo y produce nrn=r(1r)2\sum n\,r^n=\tfrac{r}{(1-r)^2}, y cada nueva aplicación añade un factor nn al término general.

La calculadora de sumatorios de MathOperator desarrolla ambos pasos —la suma parcial telescópica y cada derivación con su regla— y define de forma discreta las funciones especiales cuando aparecen (Fresnel, Γ\Gamma, erf\operatorname{erf}). Pueden probarse r^n, (1/2)^n * n^3 o la suma de Basilea 1/n^2.

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