Funciones continuas

Hasta ahora hemos estudiado funciones elementales, hemos visto su comportamiento global y su comportamiento loca, en ocasiones podemos toparnos que no están definidas en exactamente un punto o que su comportamiento cambia drásticamente de momento a otro.

Al observar la gráfica de una función diremos, de forma intuitiva, que una función es continua si ésta no presenta ningún salto o que se puede dibujar sin levantar el lápiz. Formalmente, diremos que una función f(x) es continua en un punto x=x_0 si se cumple la siguiente igualdad

\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0)

Más aún, diremos que la función f(x) es continua en un intervalo I si esta es continua para todo punto x_0 \in I.

Se interpreta matemáticamente de la siguiente forma:

Para todo número \epsilon > 0, existe un número \delta > 0 tal que
si 0 < |x-x_0| < \delta entonces |f(x) - f(x_0)| < \epsilon

Notemos que la definición de continuidad está íntimamente relacionada con la definición de límites, entonces, si bien en algunos casos puede resultar obvia la continuidad de una función, hay casos en los que no. Veamos algunos ejemplos básicos para demostrar la continuidad de una función.

Ejemplos

Ejemplo 1

Verifique la continuidad de la función que se presenta a continuación en el punto x_0 indicado.

f(x) = x^2, \ x_0=2

Este caso es muy claro, pues al calcular el límite sustituyendo el valor x=2 en la función se verifica inmediatamente la igualdad pues f(2) = 4 y \lim_{x \to 2} x^2 = 4.

Ejemplo 2

Verifique la continuidad de la función definida por partes que se presenta a continuación en el punto x_0 indicado.

Al estar definida la función por partes, hay tomar en cuenta que al calcular el límite cuando x tiende a -3 estamos considerando los valores de x cercanos a -3 pero no iguales, es decir, son distintos de -3, de esta forma tenemos que

\lim_{x \to -3} f(x) = \lim_{x \to -3} x+1 = -3 + 1 = -2 latex

Por otra parte, al evaluar la función en x=-3 tenemos que

f(-3) = -3 - 1 = -4

Así \lim_{x \to -3} f(x) \neq f(-3), por lo tanto la función no es continua en el punto x=-3.

Ejemplo 3

Verifique la continuidad de la función definida por partes que se presenta a continuación en el punto x_0 indicado.

Al estar definida la función por partes, hay que tomar en cuenta que al calcular el límite cuando x tiende a 1, es necesario considerar los límites laterales. Entonces,

Si calculamos el límite por la izquierda, estamos considerando los valores de x menores que 1, de esta forma tenemos que

\lim_{x \to 1^-} f(x) = \lim_{x \to 1^-} x^2 - 1 = 1^2 - 1 = 1 - 1 = 0

Si calculamos el límite por la derecha, estamos considerando los valores de x mayores que 1, de esta forma tenemos que

\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} \frac{x^2 - 1}{x-1} = \frac{1^2 - 1}{1-1} = \frac{0}{0}

El resultado es una indeterminación, es por esto que debemos factorizar el polinomio que está en el numerador para simplificar el límite.

\lim_{x \to 1^+} \frac{x^2 - 1}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} x+1 = 1 +1 = 2

Finalmente, tenemos que los límites laterales son distintos, es decir, \lim_{x \to 1^-} f(x) \neq \lim_{x \to 1^+} f(x). Entonces, no existe el límite de la función f(x) cuando x tiende a 1 y así, la función no es continua en x_0 = 1


Considerando estos tres ejemplos, establezcamos una forma más general para determinar si una función es continua en un punto de la siguiente forma: Sea f(x) una función, diremos que esta es continua en un punto x_0 si se cumplen las siguientes condiciones.

  1. x_0 está en el dominio de la función f(x).
  2. El límite de f(x) existe cuando x tiende a x_0, es decir, \lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x)
  3. \lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0)

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