Límite y Continuidad de Funciones.

Transcripción

1 Límite Cotiuidad de Fucioes. Eleazar José García. Límite de ua fució.. Defiició de límite de ua fució.. Ifiitésimo.. Ifiitésimos equivalete.. Límite por la izquierda.. Límite por la derecha.. Fucioes que crece si límite. 8. Fucioes que decrece si límite. 9. Límites idetermiados. 0. Cotiuidad de ua fució. Límite de ua fució. La oció de límite de ua fució e u úmero (u puto de la recta real) se presetará mediate el siguiete ejemplo: Supogamos que se os pide dibujar la gráfica de la fució f ( ), Para todo puto podemos trazar la gráfica por los métodos coocidos por todos osotros. Ahora, para teer idea del comportamieto de la gráfica de f cerca de, usamos dos cojutos de valores, uo que se aproime al por la izquierda otro por la derecha. La siguiete tabla muestra los correspodietes valores de f (). se acerca al por la izquierda se acerca al por la derecha 0,9 0,99 0,999,00,0, f ( ),,90,9900?,0000,00, f () se acerca al f () se acerca al Figura f ( ) (,) La figura es la gráfica de la fució f ( ), como podemos observar, e dicha gráfica ha u salto e el puto (; ), esto se debe a que la fució f o está defiida e el úmero. Es de otar que ésta gráfica es la de la fució g( ) + + meos el puto (; ). La fució g se obtiee a partir de la fució f, factorizado el umerador simplificado. La discusió aterior coduce a la siguiete descripció iformal: Si f() se aproima arbitrariamete a u úmero L cuado se aproima a a por ambos lados, decimos que el límite de f() cuado tiede a a es L, escribimos lím f ( ) L. a

2 Defiició de límite de ua fució. Sea f ua fució defiida e todo úmero de algú itervalo abierto I que cotiee a a ecepto posiblemete e el úmero a mismo. El límite de f() cuado se aproima a a es L, lo cual se escribe como lím f ( ) L, si para cualquier ε > 0, o importa que ta pequeña sea, eiste ua δ > 0 tal que a si 0 < a < δ etoces f ( ) L < ε Esta defiició idica que los valores de f() se aproima al límite L coforme se aproima al úmero a, si el valor absoluto de la diferecia f ( ) L puede hacerse ta pequeña como de desee tomado suficietemete cerca de a pero o igual a a. E la defiició o se mecioa ada acerca del valor de f() cuado a; recordemos que la fució o ecesita estar defiida e a para que lím f ( ) eista. a Ejemplos. ) Utilicemos la defiició para demostrar que lím( ). Como la fució está defiida e todo itervalo abierto que cotiee a, etoces podemos utilizar la defiició para hacer la demostració. Se debe demostrar que para cualquier ε > 0 eiste ua δ > 0 tal que si 0 < < δ etoces ( ) < ε (A) si 0 < < δ etoces 8 < ε si 0 < < δ etoces < ε ε si 0 < < δ etoces < Etoces, si tomamos ε δ se cumple la proposició (A). Esto demuestra que lím( ). Tomado ε 0, 0, δ 0,00, luego, para esos valores de ε δ, los úmeros que perteece al itervalo abierto (,99; ) ( ;,00) verifica la proposició(a). E efecto, tomado cualquier e el itervalo aterior, por ejemplo,99 se tiee: 0 <,99 0,00 0,00 < 0,00 etoces (,99 ), , 009 0, 009 < 0, 0 Esto verifica la proposició (A) para el valor específico tomado para. ) Demostrar usado la defiició de límite que lím.

3 Como la fució está defiida e cualquier itervalo abierto que cotega al, ecepto e el úmero, podemos aplicar la defiició para realizar la demostració. E efecto, si 0 < < δ etoces si 0 < < δ etoces < ε ( )( + + ) si 0 < < δ etoces + < ε si 0 < < δ etoces ( )( + ) < ε si 0 < < δ etoces + < ε < ε Ahora, cuado se acerca a, + se acerca a, luego, < +, etoces, ε + < ε, por lo tato, <. De la proposició (B) se obtiee que, si ε ε 0 < < δ etoces <. Si tomamos δ se cumple la proposició (B), lo que demuestra que. Ejercicios propuestos. ) ) ) ) Demuestre, aplicado la defiició que el límite es el úmero idicado. lím ( ) lím + lím ( + ) lím( + ) 8 Co la fialidad de calcular los límites de fucioes de ua maera más fácil eficaz, que aplicado la defiició, so empleados los teoremas. al.0. (B) Teorema. Límite de ua fució lieal. Sea f ( ) m + b dode m b so dos úmeros reales cualesquiera, etoces Ejemplo. lím f ( ) lím( m + b) ma + b a a lím( ) Teorema. Límite de ua fució costate. Si c es ua costate (u úmero real cualquiera), etoces

4 Ejemplo. lím lím c c a Teorema. Límite de ua fució idetidad. Sea f ( ), etoces lím a a Ejemplo. lím Teorema. Límite de la suma de la diferecia de fucioes. Si lím f ( ) L lím g( ) M, etoces a Ejemplo. Sea, a lím( ) lím 9, [ ] lím f ( ) ± g( ) lím f ( ) ± lím g( ) L ± M a a a (( ) ( )) ( ) lím lím lím 9 etoces, (( ) ( )) ( ) Teorema. Límite de la suma de diferecia de fucioes. Si a a a lím + lím + lím + 9 lím f ( ) L, lím f ( ) L,, lím f ( ) L, etoces: [ ] lím f ( ) ± f ( ) ± ± f ( ) lím f ( ) ± lím f ( ) ± ± lím f ( ) L ± L ± ± L a a a a Teorema. Límite del producto de dos fucioes. Si lím f ( ) L lím g ( ) M, etoces a a Ejemplo. Sea, [ ] lím f ( ) g( ) lím f ( ) lím g( ) L M a a a lím( ) lím 9, etoces, () ( ) lím lím lím 9 8.

5 Teorema. Límite del producto de fucioes. f ( ) L, f ( ) L,, f ( ) L, etoces Si lím lím lím a a a [ ] lím f ( ) f ( ) f ( ) lím f ( ) lím f ( ) lím f ( ) L L L a a a a Teorema 8. Límite de la -ésima potecia de ua fució. Si f ( ) L es cualquier úmero etero positivo, etoces a Ejemplo. lím[ f ( ) ] lím f ( ) L a a Sea, lím ( 0) 0, etoces, lím ( ) lím ( ) ( ) ( ) Teorema 9. Límite del cociete de dos fucioes. Si lím f ( ) L lím g ( ) M, etoces a a Ejemplo 8. Sea, lím ( ) f ( ) lím f ( ) a L lím si M 0 a g( ) lím g( ) M a lím 9, etoces, lím 9 lím lím ( ) Teorema 0. Límite de la raíz -ésima de ua fució. Si es u úmero etero positivo lím f ( ) L, etoces a lím f ( ) lím f ( ) L co la restricció que si es par, L > 0. a a Ejemplo 9. Sea, ( ) lím + 0, etoces ( ) ( ) lím + lím + lím + lím

6 Teorema. Límite del logaritmo de ua fució. Ejemplo 0. Sea: b u úmero real positivo distito de, lím f ( ) L > 0, Calcule: l ( e) e a ( ) ( ) lím logb f log b f. a lím a lím aplicado el teorema.. Apliquemos el teorema eigido: Si aplicar el teorema: etoces ( e) ( e) e ( e e) ( e) lím l l l l l e lím lím lím e e e ( e) ( e e) ( e) lím l l l. e Teorema. Uicidad del límite de ua fució. Si lím f ( ) L lím f ( ) L, etoces, L L. a a Este teorema asegura que si el límite de ua fució eiste éste es úico. Ifiitésimo. La fució f es u ifiitésimo e el puto a si sólo si lím f ( ) 0. Ejemplos 0. ) La fució f () es u ifiitésimo e 0 pues 0 a lím 0. ) La fució g () es u ifiitésimo e porque lím ( ) ) La fució h () se es u ifiitésimo e 0 a que 0 0. lím se 0. ) La fució m() - es u ifiitésimo e pues lím ( ) ) La fució r() cos es u ifiitésimo e π porque 0. lím cos 0. Ifiitésimos equivaletes. Dos ifiitésimos e u mismo puto so equivaletes, cuado el límite de su cociete es la uidad. π f ( ) f ( ) g( ) lím a g( )

7 Cuado e u límite, u ifiitésimo esté multiplicado o dividido se le puede sustituir por otro ifiitésimo equivalete. La suma de varios ifiitésimos de distito orde se puede reducir al ifiitésimo de meor orde. Ifiitésimos más frecuetes e 0. se arcse tg arctg cos l ( + ) e a l a + + ( ) Ejemplos. ) se lím se lím 0 0 lím lím lím 0 lím lím arctg lím arctg lím 0 0 ) lím lím lím 0 arcse lím arcse lím ) ) ( ) ( e ) ( + se ) 0 lím 0 lím l0 l0 0 0 lím ( l0) 0 lím lím e 0 0 lím lím se lím límse lím lím lím lím lím lím lím Ejercicios propuestos. Calcule los siguietes límites: ) ) lím se. ) 0 + ( cos ) se + arctg 0. lím 8) se + tg ( e ) lím. ) 0 l ( + ) Límite por la izquierda. e lím. ) 0 se ( cos ) l lím. ) lím. 9) 0 tg l lím. ) + lím. ) 0 m + ( + ) + l0 se + lím 0 cos l arcse tg lím 0. 0) + ( cos ) l ( + ) lím. ) 0 arcse tg ( ) lím 0 +..

8 Sea f defiida e cada úmero del itervalo abierto ( c; a ). El límite de f (), cuado se acerca al úmero a por la izquierda es L, lo cual se escribe lím f ( ) L, si para cualquier ε > 0, si importar que ta pequeña sea, eiste ua δ > 0 tal que a si 0< a < δ etoces f ( ) L < ε Límite por la derecha. Sea f ua fució defiida e cada úmero del itervalo abierto ( ) a; c. El límite de f(), cuado se acerca al úmero a por la izquierda es L, lo cual se escribe lím f ( ) L, si para cualquier ε > 0, si importar que ta pequeña sea, eiste ua δ > 0 tal que si 0 < a < δ etoces f ( ) L < ε Teorema. El lím f ( ) eiste es igual a L, si sólo si, lím f ( ) lím f ( ) eiste so iguales a L. a a + a + a lím f ( ) lím f ( ) lím f ( ) L a + a a Fucioes que crece si límite. Sea f ua fució defiida e algú itervalo abierto que cotiee al úmero a, ecepto posiblemete e a mismo. La fució f () crece si límite, cuado se aproima al úmero a, lo cual se escribe f ( ) + si para cualquier N > 0 eiste ua δ > 0 tal que: a si 0 < a < δ etoces f () > N Ejemplo. Supogamos que f es la fució defiida por f ( ). La gráfica de esta fució se muestra e la figura siguiete. Figura f ( )

9 El comportamieto de la fució f es que crece si límite cuado se acerca al úmero cero por la izquierda o por la derecha. Cuado esto sucede decimos que el límite de f() es meos ifiito cuado tiede al úmero 0, lo que se idica mediate la siguiete otació: + 0 Fucioes que decrece si límite. Sea f ua fució defiida e algú itervalo abierto que cotiee al úmero a, ecepto posiblemete e a mismo. La fució f () decrece si límite, cuado se aproima al úmero a, lo cual se escribe f ( ) si para cualquier N < 0 eiste ua δ > 0 tal que a si 0 < a < δ etoces f () < N Ejemplo. Supogamos que f es la fució defiida por la ecuació f ( ). La gráfica de f se muestra e la figura siguiete. Figura f ( ) A partir de la gráfica se observa que el comportamieto de la fució f es que decrece si límite cuado se acerca a 0 por la izquierda o por la derecha. Este comportamieto lo epresamos diciedo que el límite de f () es meos ifiito cuado tiede a cero, lo que se escribe de la siguiete maera:. 0 Ahora cosideremos la fució h defiida por la ecuació h( ). La gráfica de h se preseta e la figura.

10 Figura h( ) El comportamieto de h cuado se acerca al úmero por la izquierda es diferete a su comportamieto cuado se acerca al por la derecha. Cuado se acerca al por la izquierda h() decrece si límite, mietras que cuado se acerca al por la derecha h() crece si límite. Estos comportamietos de h lo escribimos de las siguietes maeras: +. + Ejemplos. Determie el límite aalíticamete apoe la respuesta trazado la gráfica de la fució. + ). + t + + Solució: La gráfica de la fució g ( ) + es mostrada a cotiuació. Figura ( ) g + E la gráfica se observa que cuado se acerca al úmero por la derecha g() crece si límite.

11 0 + ). 0 Solució ( ) La gráfica de la fució + f ( ) es mostrada e la figura. f( ) + Figura Observemos que f () decrece si límite cuado se acerca al 0 por la izquierda. ) + + t +. Solució: ( + ) ( ) ( ) t La gráfica de la fució f ( ) + + se muestra e la figura :

12 Figura + f( ) Observado la gráfica podemos verificar que cuado se acerca al úmero - por la derecha, f () decrece si límite. Límites idetermiados. Los límites idetermiados que estudiaremos e éste capítulo so: La forma idetermiada 0. 0 Si f g so dos fucioes tales que f ( ) 0 g( ) 0, etoces la fució f g tiee la forma idetermiada 0 0 e a. a La maera de resolver los límites idetermiados 0, será eplicada mediate dos: 0 Ejemplos. ) Calcular. 0 Se tiee que ( ) 0 ( ) 0, etoces,. 0 Para eiar la idetermiació, factorizamos el umerador el deomiador, simplificamos resolvemos el límite obteido, así: ( )( + ) a Por lo tato, ) Calcular. +. Aquí teemos:

13 ( ) + ( ) 0 0, luego, E éste caso procedemos de la siguiete maera: multiplicamos el umerador el deomiador por la cojugada de resultate, así: +, dicha cojugada es: ( ) ( ) ( ) + +, luego se resuelve el límite ( ) Por lo tato, La forma idetermiada. + Si f g so dos fucioes tales que f ( ) g( ), etoces la fució f g es idetermiada co la forma. La forma de resolver éstos límites será eplicada mediate dos ejemplos. Ejemplos ) Calcular Es evidete que ( ) + ( ) +, por lo tato, Para resolver éste límite dividimos el umerador el deomiador etre la de maor epoete, así: Por lo tato, ) Calcular. +

14 E este caso ( + ) + ( ) +, por lo tato, Para resolver, dividamos el umerador el deomiador etre pues éste es la potecia de de maor epoete, así: Por lo tato, 0. + La forma idetermiada. Si f g so dos fucioes tales que f ( ) g( ), etoces la fució f g es idetermiada de la forma. La maera de resolver éstos límites será eplicado co ejemplos. Ejemplos 8 ) Calcular ( ) +. + Como +, + + límite racioalizamos, así: ( ) ( ) + + etoces, ( ) +. Para resolver éste + ( + )( + + ) ( + ) , Hemos trasformado el límite e otro idetermiado de la forma, que se resuelve + dividiedo el umerador el deomiador etre, así: Por lo tato, ( ) + ) Calcular ( ) Como: , + Para resolver éste límite racioalizamos, así: + etoces, ( ). +

15 ( ) ( ) ( ) ( ) + ( ) + ( ) + + ( ) + ( ) + ( ) El límite se trasformó e otro idetermiado de la forma, que se resuelve dividiedo el + umerador el deomiador etre la potecia de de maor epoete, que e el caso que os ocupa es, así: Por lo tato, ( ) +. + Teorema. Teorema de estricció o del ecaje. h( ) f ( ) g para todo e u itervalo abierto que cotiee a a, ecepto e el propio Si ( ) a si h( ) L g( ), etoces f ( ) L. a a a Ejemplo.9. Sea f, g h las fucioes defiidas por g( ) +. Las gráficas de estas fucioes está trazadas e la figura 8. h( ) +, f ( ) + 9 Figura 8 g () f () h ()

16 Las gráficas de h, f g so parábolas que tiee sus vértices e el puto (; ). Las tres h( ) f ( ) g. Además, fucioes está defiidas e. Tambié se observa que ( ) ( + ) ( ) f ( ). Ejercicios propuestos Calcule los siguietes límites. razó. ) ) ) ) 8) 9 + ) +, +. Por lo tato, de acuerdo al teorema de estricció + + ) ) t 0 recuerde que: a b a b a + ab + b + +, recuerde que: + 9) ) ) ( + ) ) ( ) + a b a + b ab 9 t t a b a + ab + b ab + + ) ( ) + Dadas las fucioes idicadas, calcule el límite señalado si eiste, sio eiste establezca la si < ) f si si < ( a) f ( ); ( b) f ( ). ( ) si ) g( ) si < si < ( a) g( ); ( b) g( ). Utilice el teorema de estricció para determiar el límite. ) ) 8) f ( ), f ( ), π 0 si ( ) f ( ) + < para toda dado que si f ( ) si, f ( ), dado que cos f ( ), + para toda e el itervalo ( ) π ;0. para toda e el itervalo ( π π ) ;.

17 Cotiuidad de ua fució. Fució cotiua e u úmero. Ua fució f es cotiua e u úmero a si sólo si se satisface las tres codicioes siguiete: i) f (a) eiste; ii) f ( ) eiste; a iii) f ( ) f ( a). a Si por lo meos ua de estas tres codicioes o se cumple e a, etoces se dice que la fució f es discotiua e a. Ejemplos 0. ) La fució defiida por f ( ), es discotiua e, pues dicha fució o está defiida e el. Veamos como es su comportamieto gráficamete, mostrado e la figura 9. Figura 9 - f () - (; ) La gráfica muestra u salto e el puto (; ), esto se debe a la discotiuidad de la fució e, por lo tato, f() o eiste. Observado la gráfica se sospecha que f ( ) eiste es igual a. Veamos si esto es cierto: ( + )( ) ( + ). Cuado ua fució f preseta las características ateriores, es decir, o está defiida e u úmero a pero f ( ) eiste, se dice que f preseta ua discotiuidad removible o eiable, a

18 porque si f es redefiida e a de maera que f ( a) f ( ), la ueva fució es cotiua e a. Si ua discotiuidad o es removible se dice que es ua discotiuidad esecial. La discotiuidad de la fució f ( ), es removible, porque si se redefie e, se obtiee la siguiete fució: a si F( ) si La fució F es cotiua e, puesto que, F (). F( ) 0. ) Sea g la fució defiida por g( ). La gráfica de la fució es mostrada e la figura g () - Figura La gráfica de g se rompe e el puto dode pues la fució o está defiida e dicho puto. Además, i) ( ) g( ) + ( ) g o está defiida. ii) g( ) o eiste., g( ), luego, g( ) o eiste. Por lo tato, + ( ) Etoces, la fució g es discotiua e, la discotiuidad es esecial porque g( ) o eiste. La discotiuidad de éste ejemplo recibe el ombre de discotiuidad ifiita. ) Sea h la fució defiida por si h( ) si La gráfica de h es mostrada e la siguiete figura:

19 8 Figura Veamos que sucede co las codicioes de cotiuidad de la fució h e. i) g() ii) h( ) h( ) +, por lo tato, h( ) o eiste. + Como la codició ii) o se cumple, h es discotiua e. La discotiuidad es ifiita, desde luego esecial. Bibliografía [] Rabuffetti Hebe T. Itroducció al Aálisis Matemático, décima edició. [] Apostol Tom M. Calculus, seguda edició. Autor: Eleazar José García [email protected] Profesió: Liceciado e Matemática País: Veezuela