Indeterminación uno a la infinito 1^∞

Hasta ahora hemos estudiado el límite de las operaciones básicas entre funciones, sin embargo, si consideramos dos funciones f(x) y g(x) la operación f(x)^{g(x)} cuando x tiende a infinito debe calcularse tomando tomando en cuenta que

\lim_{x \to \infty} f(x)^{g(x)} = 1^{\infty} está indeterminado.

La técnica para determinar este tipo de límites parte de la definición del número \textit{\large e} y es que podemos notar que si hacemos una simple sustitución en el siguiente límite, podemos notar que éste presenta una indeterminación

\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^x = \left( 1 + \frac{1}{\infty}\right)^{\infty} = (1 + 0)^{\infty} = 1^\infty

Afortunadamente, sabemos que éste límite define justamente al número \textit{\large e}, entonces

\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^x = \textit{\Large e}

Esta fórmula se puede generalizar aún más, pues si consideramos una función f(x) que tiende a infinito cuando x tiende a infinito, entonces

\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{f(x)}\right)^{f(x)} = \textit{\Large e}

De esta forma, al toparnos con la indeterminación 1^{\infty} puede ser conveniente reescribir la expresión que define la función para obtener el número. Veamos en los siguientes ejemplos como determinar este tipo de límites.

Ejemplos

Ejemplo 1

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{x}\right)^{x} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Notamos que este límite es levemente diferente al límite que define el número \textit{\large e}, así que tomando en cuenta la propiedad de las potencias \left(a^b\right)^c = a^{bc} entonces podemos reescribir el límite para encontrar la definición del número \textit{\large e} de la siguiente forma

\lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{x}\right)^{x} = \lim_{x \to \infty} \left[ \left( 1 + \frac{1}{-x}\right)^{-x} \right]^{-1}

De esta forma, notamos que la expresión que está dentro de los corchetes es la definición del número \textit{\large e}, entonces al calcular el límite obtenemos

\textit{\large e}^{-1} = \frac{1}{\textit{\large e}}

Por lo tanto, concluimos que \lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{x}\right)^{x} = \frac{1}{\textit{\large e}}


De forma general, si consideramos una función f(x) que tiende a infinito cuando x tiende a infinito, entonces

\lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{f(x)}\right)^{f(x)} = \frac{1}{\textit{\Large e}}


Ejemplo 2

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^{2x} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Podemos reescribir de la siguiente forma

\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^{2x} = \lim_{x \to \infty} \left[ \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^x \right]^2

De esta forma, notamos que la expresión que está dentro de los corchetes es la definición del número \textit{\large e}, entonces al calcular el límite obtenemos

\textit{\large e}^2

Por lo tanto, concluimos que \lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x}\right)^{x} = \textit{\large e}^2

Ejemplo 3

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{3}{x}\right)^{x} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Reescribimos el límite de la siguiente forma

\lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{3}{x}\right)^{x} = \lim_{x \to \infty} \left[ \left( 1 - \frac{ \ 1 \ }{\frac{x}{3}}\right)^{\frac{x}{3}} \right]^{3}

De esta forma, notamos que la expresión que está dentro de los corchetes es la definición del número \textit{\large e}, entonces al calcular el límite obtenemos

\left[ \textit{\large e}^{-1} \right]^3 = \frac{1}{\textit{\large e}^3}

Por lo tanto, concluimos que \lim_{x \to \infty} \left( 1 - \frac{3}{x}\right)^{x} = \frac{1}{\textit{\large e}^3}

Ejemplo 4

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left(\frac{x+1}{x}\right)^{x} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Reescribimos el límite de la siguiente forma

\lim_{x \to \infty} \left(\frac{x+1}{x}\right)^{x} = \lim_{x \to \infty} \left(\frac{x}{x} + \frac{1}{x}\right)^{x} =\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^{x} = \textit{\large e}


De forma general, si consideramos dos funciones f(x) y g(x) tales que \frac{f(x)}{g(x)} tiende a infinito cuando x tiende a infinito, entonces

\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{ \ 1 \ }{\frac{f(x)}{g(x)}}\right)^{\frac{f(x)}{g(x)}} = \lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{g(x)}{f(x)}\right)^{\frac{f(x)}{g(x)}} = \textit{\Large e}


Ejemplo 5

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left(\frac{x+1}{x-1}\right)^{x} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Notamos a diferencia del ejemplo anterior, la solución no es tan simple como separar las sumas de fracciones. Así que reescribimos sumando y restando uno en el límite de la siguiente forma

\lim_{x \to \infty} \left(\frac{x+1}{x-1}\right)^{x} = \lim_{x \to \infty} \left(1 - 1 + \frac{x+1}{x-1}\right)^{x} = \lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{x+1}{x-1} -1 \right)^{x}

Efectuamos la suma de fracciones para obtener

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

Ahora multiplicamos y dividimos en el exponente por los factores 2 y x-1 para luego conservar la expresión de nuestro interés,

\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{2}{x-1}\right)^{x \cdot \frac{2}{2} \cdot \frac{x-1}{x-1}} = \lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{2}{x-1}\right)^{\frac{x-1}{2} \cdot \frac{2}{x-1} \cdot x}

Aplicamos entonces las propiedades de la potencia de la siguiente manera y obtenemos

\lim_{x \to \infty} \left[ \left(1 + \frac{2}{x-1}\right)^{\frac{x-1}{2}} \right]^{\frac{2x}{x-1}}

Notando que la expresión que está dentro de los corchetes es la definición del número \textit{\large e} y considerando que en el exponente el polinomio en el numerador y el polinomio en el denominador tienen el mismo grado, el límite será igual al cociente entre sus coeficientes principales, entonces al calcular el límite el resultado será

\textit{\Large e}^{\lim_{x \to \infty} \frac{2x}{x-1}} = \textit{\Large e}^2

Por lo tanto, concluimos que \lim_{x \to \infty} \left(\frac{x+1}{x-1}\right)^{x} = \textit{\large e}^2


Una fórmula general

Este tipo de límites no presentan mayor complicación al calcularlos y aunque esta técnica es bastante amplia, encontraremos ocasiones en las que podemos recurrir a métodos más sofisticados pues la técnica que hemos usado hasta ahora puede resultar engorrosa. Veamos entonces, la siguiente serie de igualdades para determinar una fórmula que nos permita calcular este tipo de límites.

\lim_{x \to \infty} f(x)^{g(x)}
= \lim_{x \to \infty} \left( 1 + f(x) -1 \right)^{g(x)}
= \lim_{x \to \infty} \left( 1 + f(x) -1 \right)^{g(x) \cdot \frac{f(x) -1}{f(x) -1}}
= \lim_{x \to \infty} \left( 1 + f(x) -1 \right)^{\frac{1}{f(x) -1} \cdot g(x) (f(x) -1)}
= \lim_{x \to \infty} \left[ \left( 1 + f(x) -1 \right)^{\frac{1}{f(x) -1}} \right]^{g(x) (f(x) -1)}
= \textit{\large e}^{\lim_{x \to \infty} g(x) (f(x) -1)}

Por lo tanto, tenemos que

\lim_{x \to \infty} f(x)^{g(x)} = \textit{\huge e}^{\lim_{x \to \infty} g(x) (f(x) -1)}

Veamos en los siguientes ejemplos como determinar este tipo de límites.

Ejemplo 6

Si consideramos \lim_{x \to \infty} \left( \frac{x^2 + 3}{x^2 - x} \right)^{5x + 2} = 1^{\infty}, este límite presenta una indeterminación. Entonces, aplicando la fórmula, tenemos que

\lim_{x \to \infty} \left( \frac{x^2 + 3}{x^2 - x} \right)^{5x + 2} = \textit{\huge e}^{\lim_{x \to \infty} (5x+2) \left(\frac{x^2 + 3}{x^2 - x} - 1 \right) }

Entonces, basta con determinar el límite \lim_{x \to \infty} (5x+2) \left(\frac{x^2 + 3}{x^2 - x} - 1 \right) = 0 \cdot \infty, para esto efectuamos la suma de fracciones para obtener

\lim_{x \to \infty} (5x+2) \left(\frac{x^2 + 3- (x^2 - x)}{x^2 - x} \right) = \lim_{x \to \infty} (5x+2) \left(\frac{3+x}{x^2 - x} \right)

Posteriormente efectuamos el producto entre los numeradores aplicando la propiedad distributiva, y obtenemos

\lim_{x \to \infty} \frac{15x + 5x^2 + 6 +2x}{x^2 - x} = \lim_{x \to \infty} \frac{5x^2 +17x +6}{x^2 - x}

Y considerando que el polinomio en el numerador y el polinomio en el denominador tienen el mismo grado, el límite será igual al cociente entre sus coeficientes principales, es decir, \lim_{x \to \infty} \frac{5x^2 +17x +6}{x^2 - x} = 15. Por lo tanto, concluimos que

\lim_{x \to \infty} \left( \frac{x^2 + 3}{x^2 - x} \right)^{5x + 2} = \textit{\huge e}^{15}


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