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If \( \sum_{k=p}^{\infty} 4.3^{2-k}=\frac{2}{9} \), determine the value of \( p \)

Ask by Ruiz Maxwell. in South Africa
Feb 04,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

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\( p = 5 \)

Solución

To determine the value of \( p \) in the equation: \[ \sum_{k=p}^{\infty} 4 \cdot 3^{2-k} = \frac{2}{9}, \] let's break it down step by step. ### Step 1: Simplify the Series First, express \( 3^{2-k} \) as: \[ 3^{2-k} = 3^2 \cdot 3^{-k} = 9 \cdot 3^{-k}. \] Substituting this into the series: \[ \sum_{k=p}^{\infty} 4 \cdot 3^{2-k} = \sum_{k=p}^{\infty} 4 \cdot 9 \cdot 3^{-k} = \sum_{k=p}^{\infty} 36 \cdot 3^{-k}. \] ### Step 2: Recognize the Geometric Series The series: \[ \sum_{k=p}^{\infty} 36 \cdot 3^{-k} \] is a geometric series with the first term \( a = 36 \cdot 3^{-p} \) and common ratio \( r = \frac{1}{3} \). The sum of an infinite geometric series is given by: \[ S = \frac{a}{1 - r}. \] Substituting the values: \[ S = \frac{36 \cdot 3^{-p}}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{36 \cdot 3^{-p}}{\frac{2}{3}} = 54 \cdot 3^{-p}. \] ### Step 3: Set Up the Equation According to the problem: \[ 54 \cdot 3^{-p} = \frac{2}{9}. \] Multiply both sides by \( 3^p \): \[ 54 = \frac{2}{9} \cdot 3^p. \] Multiply both sides by \( \frac{9}{2} \): \[ 54 \cdot \frac{9}{2} = 3^p \implies 243 = 3^p. \] ### Step 4: Solve for \( p \) Since \( 243 = 3^5 \), it follows that: \[ p = 5. \] **Answer:** \( \boxed{5} \)

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The Deep Dive

To solve the sum \( \sum_{k=p}^{\infty} 4.3^{2-k} = \frac{2}{9} \), we begin by rewriting the series: \[ \sum_{k=p}^{\infty} 4.3^{2-k} = 4 \sum_{k=p}^{\infty} 3^{2-k} \] Now we can rewrite \( 3^{2-k} \) as \( \frac{3^2}{3^k} \): \[ = 4 \sum_{k=p}^{\infty} \frac{9}{3^k} = 4 \cdot 9 \sum_{k=p}^{\infty} \frac{1}{3^k} \] Next, using the formula for the sum of a geometric series, where for \( |r| < 1 \): \[ \sum_{n=0}^{\infty} r^n = \frac{1}{1 - r} \] we find \( \sum_{k=p}^{\infty} \frac{1}{3^k} \). The series starts from \( k = p \): \[ \sum_{k=p}^{\infty} \frac{1}{3^k} = \frac{\frac{1}{3^p}}{1 - \frac{1}{3}} = \frac{\frac{1}{3^p}}{\frac{2}{3}} = \frac{1}{3^p} \cdot \frac{3}{2} = \frac{3}{2 \cdot 3^p} \] Now substitute this back into our expression for the sum: \[ \sum_{k=p}^{\infty} 4.3^{2-k} = 4 \cdot 9 \cdot \frac{3}{2 \cdot 3^p} = \frac{108}{2 \cdot 3^p} = \frac{54}{3^p} \] We set this equal to \( \frac{2}{9} \): \[ \frac{54}{3^p} = \frac{2}{9} \] Cross-multiplying gives: \[ 54 \cdot 9 = 2 \cdot 3^p \] Calculating \( 54 \cdot 9 \): \[ 54 \cdot 9 = 486 \] Thus, we have: \[ 486 = 2 \cdot 3^p \] Dividing both sides by 2: \[ 243 = 3^p \] Recognizing that \( 243 = 3^5 \), we find: \[ 3^p = 3^5 \implies p = 5 \] Therefore, the value of \( p \) is \[ \boxed{5} \]

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