Cálculo UNO

Más sobre límites

Introducción

En esta sección se recopilan tres temas sobre límites

  1. Límites infinitos. Un ejemplo clásico de este tipo de límites es \[ \lim_{x\to 0} \frac{1}{x^2}=\infty \]
  2. Límites hacia el infinito. Ejemplos de estos límites se presentan en asíntotas, por ejemplo \[ \lim_{x\to \infty} \frac{x+1}{x+2}=1 \]
  3. Existencia de límites. Hasta ahora no se ha hecho mucho énfasis en cuato a si la expresión \(\lim_{x\to a}f(x)\) tiene sentido o no. Se ven algunos ejemplos dónde el límite no existe y algunas condiciones para ver que un límite dado existe.

Límites infinitos

Estrictamenta hablando los límites infinitos son una extensión de la definición de límite pues el "infinito" no es un número real. Un ejemplo de un límite infinito es \[ \lim_{x\to 0}\frac{1}{x^2}=\infty \] y la idea de la expresión anterior es que, si tomamos \(x\) cercana a cero (sin ser cero) entonces \(\frac{1}{x^2}\) es muy grande.

Otros ejemplo que aparece naturalmente son \begin{eqnarray*} \lim_{\theta \to \frac{\pi}{2}^-}\tan(\theta) &=& \infty \\ \lim_{\theta \to \frac{\pi}{2}^+}\tan(\theta) &=& -\infty \end{eqnarray*} Es importante notar que en el caso anterior además se usan límites laterales. El significado de las expresiones anteriores se hace un poco más claro si uno ve la gráfica de la función tangente.

La definición siguiente precisa la noción de límite infinito cuantificando las expresiones "\(x\) cercano " y "muy grande".

Definición

Puede ocurrir que la función \(f(x)\) sólo este definida para \(x\) sólo del lado derecho de \(a\) ó sólo del lado izquierdo. Incluso el comportamiento de \(f(x)\) puede diferir dependiendo si \(x\) está a la derecha o izquierda de \(a\) (como la en función tangente). En estos casos se usan también límites laterales.

La definiciones para \[ \lim_{x\to a^+}f(x)=-\infty, \lim_{x\to a^-}f(x)=-\infty \] se pueden obtener modificando las definiciones anteriores de la manera adecuada.

Ejercicio

Usando la definición anterior demuestra:
  1. \(\lim_{x\to 0} \frac{1}{x^2}=+\infty\).
  2. Para \(a,b \in \mathbb{R}\) con \(b\ne 0\), \[ \lim_{x\to a} \frac{b}{(x-a)^2}=+\infty, \quad \textrm{si} \quad b>0 \] \[ \lim_{x\to a} \frac{b}{(x-a)^2}=-\infty, \quad \textrm{si} \quad b< 0 \]
  3. \[ \lim_{x\to 0^+} \frac{1}{x}=+\infty \] \[ \lim_{x\to 0^-} \frac{1}{x}=-\infty \]
  4. \(\lim_{x\to 0^+} \frac{1}{\sqrt{x}}=+\infty\).
  5. Para \(m\in \mathbb{R}^+\) y \(b\in \mathbb{R}\), \[ \lim_{x\to 0^+} \frac{m}{x}+b=+\infty \] \[ \lim_{x\to 0^+} \frac{-m}{x}+b=-\infty \]

Ejercicio

Sea \(f \) y \(g\) dos funciones definidas en una vecindad agujereada de \(x_0\). Asume que \(\lim_{x\to x_0} f(x)=L\) con \(L>0\) y que \(\lim_{x\to x_0} g(x)=\infty\). Demuestra que \[ \lim_{x\to x_0} f(x)g(x)=\infty. \]

Ejercicio

Calcula los siguientes límites:
  1. \(\lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{\frac{1}{x^4}+1}}{\sqrt{ \frac{1}{x^2}+1}}\)
  2. \(\lim_{x\to 0^+} \sqrt{\frac{2}{x}+1} - \sqrt{\frac{1}{x}-1}\)
  3. Sean \(a_1,a_2 \in \mathbb{R}^+\) con \(a_1\not= a_2\) y \(b_1,b_2 \in \mathbb{R}\). \[\lim_{x\to 0^+} \sqrt{\frac{a_1}{x}+b_1}-\sqrt{\frac{a_2}{x}+b_2} \] Nota: considera los casos \(a_1< a_2\) y \( a_1 > a_2\).

Ejercicio

Para \(a\in \mathbb{R}^+\) y \(p(x)\), \(q(x)\) dos polinomios encontrar: \[\lim_{x\to 0^+} \sqrt{\frac{2a}{x^2}+p(x)} - \sqrt{\frac{a}{x^2}+q(x)}\]

Ejercicio

Sean \(f,g\) dos funciones definidas en una vecindad de \(x_0\) con \(g(x)>0\) para \(x\ne x_0\). Demuestra que si \(\lim_{x\to x_0} f(x)= L >0\) y \(\lim_{x\to x_0} g(x)=0\) entonces \[ \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)}{g(x)}=\infty \]

Ejercicio

En la teoría de la relatividad, la masa de un objeto está dada por: \[ m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \] donde \(m_0\) es la masa en reposo, \(v\) es su velocidad y \(c\) es la velocidad de la luz. Probar \[ \lim_{v\to c^-}m=\infty. \]

Límites al infinito

Al analizar una función \(f(x)\), un comportamiento que puede ser importante es analizar los valores de \(f(x)\) cuando \(x\) es muy grande positivo o muy grande negativamente. Por ejemplo, \(f(x)\) puede representar la temperatura el tiempo \(x\) y se busca analizar que pasa con la temperatura cuando pasa una cantidad de tiempo grande.

Para analizar lo anterior se utilizan límites de la forma: \[ \lim_{x\to +\infty} f(x), \quad \lim_{x\to -\infty}f(x). \]

Geométricamente un límite de este tipo nos da información sobre las asíntotas horizontales de la gráfica de \(f(x\).

Definición

Sea \(f:D\to \mathbb{R}\) una función.

Ejercicio

Demuestra que, para todo \(a\in \mathbb{R}\), con \(a\ne 0\) y todo \(n\in \mathbb{N}\), \[\lim_{x\to \infty} \frac{a}{x^n}=0.\]

Ejercicio

Sea \(p(x)\) un polinomio fijo de grado \(n\). Demuestra que \[ \lim_{x\to +\infty} \frac{p(x)}{x^{n+1}}=0. \]

Definición

Para terminar el recorrido sobre límites infinitos se presenta el que mezcla los dos infinitos, tanto cuando la variable crece al infinito como cuando los valores de la función también crecen indefinidamente.

Nota: las expresiones \(\lim_{x\to -\infty} f(x)=+\infty\) y \(\lim_{x\to -\infty} f(x)=-\infty\) se definen modificando las definiciones de manera adecuada.

Es importante notar que, a pesar de que la expresión \(\lim_{x\to \infty}f(x)=+\infty\) nos dice que los valores \(f(x)\) crecen, no nos dice cómo estos valores están creciendo. Por ejemplo, las funciones con las gráficas mostradas abajo satisfacen \(\lim_{x\to +\infty}f(x)=+\infty\) sin embargo, la manera en cómo crecen es muy distinta. Para esutidar el tipo de crecimiento uno utiliza herramientas como concavidad.

Ejercicio

Para \(n\in \mathbb{N}\) prueba \[ \lim_{x\to +\infty} x^n=\infty. \]

Primera prueba.

Primero notamos que, dados \(m, n \in \mathbb{N}\) con \(m\geq 2\): \[m^n\geq mn \] En efecto, usando inducción sobre \(n\): el caso \(n=1\) es claro; si suponemos \(m^n \geq nm\) multiplicando por \(m\) obtenemos \(m^{n+1} \geq m^2 n\), por lo que es suficiente probar \(m^2 n \geq m(n+1)\) pero ésto último es equivalente a \(mn \geq n+1\) lo cual es cierto pues \(mn \geq 2n \geq n+1\).

En esta prueba usamos directamente la Definición 6.14.

Sea \(M>0\). Aplicando la propiedad arquimedeana a \(n\) existe \(m \geq 2\) tal que \(m n >M\). Por el primer inciso, \(m^n \geq nm > M\).

Para terminar, tomamos \(r=m\). Ya que las funciones potencias son estrictamente crecientes, para toda \(x>r\) se cumple \[ x^n > r^n= m^n \geq mn > M. \]

Seguna prueba.

Suponemos que no y llegamos a una contradicción.

Negando la Definición 6.14. obtenemos que existe \(M>0\) tal que para toda \(r>0\) existe \(x\) con \(x^n \leq M\). Utilizando que las funciones potencia son estrictamente crecientes en \([-0,\infty)\) obtenemos que \(x^n \leq M\), para toda \(x\geq 0\).

Ahora, utilizamos la siguiente identidad: \[ a^n-b^n= (a-b)\left( \sum_{k=0}^{n-1}a^kb^{n-1-k} \right). \]

Si \(0 \leq b < a\), usando que \(a^n, b^n \leq M\) concluimos que \(a^n -b^n \leq M\), por lo tanto \[ (a-b) \left( \sum_{k=0}^{n-1}a^kb^{n -1-k} \right) \leq M \] para toda \(0 \leq b < a\).

Por otro lado, notamos que \[ b^{n-1} \leq \left( \sum_{k=0}^{n-1}a^kb^{n-1-k} \right) \] por lo que concluimos \[ (a-b)b^{n-1} \leq M \] para todos \(0 \leq b < a\).

Ahora, en la desigualdad anterior tomamos \(b=1, a=k+1\), con \(k\in \mathbb{N}\) para obtener \[ k \leq M. \] Lo anterior dice que \(M\) es cota superior para \(\mathbb{N}\), lo cual es una contradicción.

Ejercicio

Fija \(n \in \mathbb{Z}^+\). Considera el polinomio \(p(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots +a_1x+a_0\). Demuestra \[ \lim_{x\to +\infty} p(x)=+\infty. \] Hint: Para \(x>0\) escribe: \[ p(x)=x^n\left( 1+ \frac{a_{n-1}}{x}+ \cdots + \frac{a_1}{x^{n-1}}+\frac{a_0}{x^n} \right) \] Usar el ejercicio Ejercicio 6.7, el Ejercicio 6.17 y el hecho de que \[ \lim_{x\to +\infty} \frac{a_{n-1}}{x}+ \cdots + \frac{a_1}{x^{n-1}}+\frac{a_0}{x^n}=0. \]

Ejercicio

Sea \(p(x)=a_nx^n+ \cdots +a_1x+a_0\) un polinomio de grado \(n\). Demuestra \[ \lim_{x\to +\infty} p(x)=\left\{ \begin{array}{cc} + \infty & \textrm{si \(a_n>0\)}\\ -\infty & \textrm{si \(a_n < 0\)} \end{array} \right. \]

Ejercicio

Fija \(n\in \mathbb{N}\), impar.
  1. Demuestra \(\lim_{x\to -\infty} x^n = - \infty\).
  2. Considera el polinomio \(p(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots +a_1x+a_0\). Demuestra: \[ \lim_{x\to -\infty} p(x)=-\infty. \]

Existencia de límites

Ejercicio

El límite \(\lim_{x\to 0}\sen(\frac{1}{x})\) no existe.

Ejercicio

Para toda \(n=1,2,\cdots\) \[ \lim_{x\to 0}x^n \sen(\frac{1}{x})=0 \]

Ejercicio

Da un ejemplo de funciones \(f\) y \(g\), definidas en una vecindad agujereada del \(0\), tales que \(\lim_{x\to 0}(fg)(x)\) existe pero algunos de los límites \(\lim_{x\to 0}f(x)\) ó \(\lim_{x\to 0}g(x)\) no existe.

Ejercicio

Da un ejemplo de funciones \(f\) y \(g\), definidas en una vecindad agujereada del \(0\), tales que \(\lim_{x\to 0}(f+g)(x)\) existe pero los límites \(\lim_{x\to 0}f(x)\) y \(\lim_{x\to 0} g(x)\) no existe.

Ejercicio

Sean \(f\) y \(g\) dos funciones definidas en una vecindad agujereada de \(a\).
  1. Si \(\lim_{x\to a}(f+g)(x)\) existe y \(\lim_{x\to a} f(x)\) existe, demuestra que \(\lim_{x\to a}g(x)\) también existe.
  2. Si \(\lim_{x\to a} (fg)(x)\) existe , \(\lim_{x\to a} f(x)\) exsite y es distinto de cero, demuestra que \(\lim_{x\to a}g(x)\) existe.

Ejercicio

Sean \(f\) y \(g\) dos funciones definidas en una vecindad agujereada de \(x_0\) y supon que existe \(M>0\) tal que \(|g(x) | \leq M\), para \(x\) en la vecindad agujereada. Si \(\lim_{x\to x_0} f(x)=0\) demuestra que: \[ \lim_{x\to x_0}f(x)g(x)=0. \] Nota: no se asume que el límite \(\lim_{x\to x_0}g(x)\) existe.