3.2.1 Definición e idea intuitiva de límite

Enunciado del ejercicio

1. Idea intuitiva de límite Decir que el límite de una función \(f\) cuando \(x\) tiende a \(c\) es \(L\), y escribirlo como \(\lim_{x \to c} f(x) = L\) significa que podemos conseguir que los valores de \(f(x)\) estén tan próximos a \(L\) como queramos, sin más que tomar valores de \(x\) suficientemente cercanos a \(c\), pero distintos de \(c\) La forma práctica de intuir un límite es observar qué ocurre con \(f(x)\) cuando \(x\) se acerca a \(c\) por la izquierda y por la derecha, por ejemplo con una tabla de valores. Ejemplo: Para \(f(x) = 2x + 1\), cuando \(x\) se acerca a \(2\) los valores \(f(1{,}9) = 4{,}8\), \(f(1{,}99) = 4{,}98\) se acercan a \(5\): \(\lim_{x \to 2} (2x + 1) = 5\) 2. Definición formal de límite (épsilon-delta) La definición rigurosa precisa la idea intuitiva: el límite de \(f\) cuando \(x\) tiende a \(c\) es \(L\) si, para cualquier margen de error \(\varepsilon > 0\) que fijemos alrededor de \(L\), podemos encontrar un entorno de \(c\) de radio \(\delta > 0\) tal que todos los valores de \(x\) dentro de ese entorno (salvo el propio \(c\)) tienen su imagen dentro del margen de error. En símbolos: \(\forall \varepsilon > 0, \; \exists \delta > 0 \; \text{tal que} \; 0 < |x - c| < \delta \Rightarrow |f(x) - L| < \varepsilon\) Ejemplo: Con \(f(x) = 2x + 1\) y \(L = 5\), dado cualquier \(\varepsilon > 0\) basta tomar \(\delta = \frac{\varepsilon}{2}\): si \(|x - 2| < \delta\) entonces \(|(2x+1) - 5| = 2|x - 2| < \varepsilon\) 3. El valor de la función en el punto es irrelevante El límite cuando \(x\) tiende a \(c\) solo depende de lo que ocurre CERCA de \(c\), nunca de lo que vale \(f(c)\) La función puede no estar definida en \(c\), o tener en \(c\) un valor completamente distinto del límite, y el límite seguirá existiendo con el mismo valor. Ejemplo: La función \(f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}\) no está definida en \(x = 1\), pero \(\lim_{x \to 1} f(x) = \lim_{x \to 1} (x + 1) = 2\): el valor en el punto es irrelevante para el límite. Ejemplo 1: Aproximación numérica del límite Calcular, mediante una tabla de valores, el límite de la función \(f(x) = x^2\) cuando \(x\) tiende a \(3\)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por dar a \(x\) valores cada vez más próximos a \(3\) por la izquierda. A continuación haremos lo mismo por la derecha. Para terminar observaremos a qué valor se acercan las imágenes.

PASO 1

Valores de x menores que

3. Tomamos valores próximos a \(3\) por la izquierda:

$$f(2,9) = 2,9^2 = 8,41$$
$$f(2,99) = 2,99^2 = 8,9401$$
$$f(2,999) = 2,999^2 = 8,994001$$

Las imágenes se acercan a \(9\) por debajo.

PASO 2

Valores de x mayores que

3. Tomamos valores próximos a \(3\) por la derecha:

$$f(3,1) = 3,1^2 = 9,61$$
$$f(3,01) = 3,01^2 = 9,0601$$
$$f(3,001) = 3,001^2 = 9,006001$$

Las imágenes se acercan a \(9\) por encima.

Conclusión

El límite de \(f(x) = x^2\) cuando \(x\) tiende a \(3\) es \(9\), es decir, \(\lim_{x \to 3} x^2 = 9\)

Ejemplo 2: Demostración con la definición épsilon-delta

Demostrar, aplicando la definición formal de límite, que \(\lim_{x \to 2} (3x - 1) = 5\)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por escribir la distancia entre la función y el candidato a límite. A continuación acotaremos esa distancia en función de la distancia entre \(x\) y \(2\) Para terminar elegiremos el valor de \(\delta\) adecuado en función de \(\varepsilon\)

PASO 1

Acotación de la diferencia.

Fijado \(\varepsilon > 0\) arbitrario, estudiamos \(|f(x) - L|\):

$$|f(x) - L| = |(3x - 1) - 5| = |3x - 6| = 3|x - 2|$$

Queremos que esta cantidad sea menor que \(\varepsilon\):

$$3|x - 2| < \varepsilon \rightarrow |x - 2| < \frac{\varepsilon}{3}$$
PASO 2

Elección de delta.

Basta tomar \(\delta = \frac{\varepsilon}{3}\) En efecto, si \(0 < |x - 2| < \delta\), multiplicando por \(3\) obtenemos \(3|x - 2| < 3\delta\), y como \(3\delta = \varepsilon\), concluimos que \(|f(x) - 5| < \varepsilon\)

Conclusión

Queda demostrado con la definición épsilon-delta que \(\lim_{x \to 2} (3x - 1) = 5\)

Ejemplo 3: Límite en un punto donde la función vale otra cosa

Sea \(f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}\) si \(x \neq 1\), y \(f(1) = 5\) Calcular \(\lim_{x \to 1} f(x)\)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por factorizar el numerador para simplificar la expresión cuando \(x \neq 1\) A continuación calcularemos el límite de la expresión simplificada. Para terminar compararemos el resultado con el valor de \(f(1)\)

PASO 1

Simplificación algebraica.

Para \(x \neq 1\) podemos simplificar el factor común:

$$\frac{x^2 - 1}{x - 1} = \frac{(x - 1)(x + 1)}{x - 1} = x + 1$$
PASO 2

Cálculo del límite.

$$\lim_{x \to 1} f(x) = \lim_{x \to 1} (x + 1) = 2$$
Conclusión

El límite vale \(2\) aunque \(f(1) = 5\): el valor de la función en el punto no influye en el límite.

Ejemplo 4: Límite con factorización

Calcular \(\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 5x + 6}{x^2 - 4}\)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por comprobar que se trata de una indeterminación del tipo cero entre cero. A continuación factorizaremos el numerador y el denominador para simplificar el factor común. Para terminar calcularemos el límite de la expresión simplificada.

PASO 1

Detección de la indeterminación.

Sustituyendo \(x = 2\):

$$\frac{2^2 - 5\cdot 2 + 6}{2^2 - 4} = \frac{4 - 10 + 6}{4 - 4} = \frac{0}{0}$$

Se trata de una indeterminación del tipo \(\frac{0}{0}\)

PASO 2

Factorización y simplificación.

El numerador tiene raíces \(x = 2\) y \(x = 3\), luego \(x^2 - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3)\) El denominador es una diferencia de cuadrados: \(x^2 - 4 = (x - 2)(x + 2)\) Por tanto, para \(x \neq 2\):

$$\frac{x^2 - 5x + 6}{x^2 - 4} = \frac{(x - 2)(x - 3)}{(x - 2)(x + 2)} = \frac{x - 3}{x + 2}$$
PASO 3

Cálculo del límite.

$$\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 5x + 6}{x^2 - 4} = \lim_{x \to 2} \frac{x - 3}{x + 2} = \frac{2 - 3}{2 + 2} = -\frac{1}{4}$$
Conclusión

El límite existe y vale \(-\frac{1}{4}\)

Ejemplo 5: Límite con radicales

Calcular \(\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x + 1} - 1}{x}\)

Explicación

Para resolver este ejercicio empezaremos por comprobar la indeterminación. A continuación multiplicaremos el numerador y el denominador por el conjugado de la raíz para eliminarla. Para terminar calcularemos el límite de la expresión simplificada.

PASO 1

Detección de la indeterminación.

Sustituyendo \(x = 0\): \(\frac{\sqrt{1} - 1}{0} = \frac{0}{0}\)

PASO 2

Multiplicación por el conjugado.

$$\frac{\sqrt{x + 1} - 1}{x} = \frac{(\sqrt{x + 1} - 1)(\sqrt{x + 1} + 1)}{x(\sqrt{x + 1} + 1)} = \frac{(x + 1) - 1}{x(\sqrt{x + 1} + 1)} = \frac{x}{x(\sqrt{x + 1} + 1)} = \frac{1}{\sqrt{x + 1} + 1}$$
PASO 3

Cálculo del límite.

$$\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x + 1} - 1}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{x + 1} + 1} = \frac{1}{1 + 1} = \frac{1}{2}$$
Conclusión

El límite existe y vale \(\frac{1}{2}\)