Operaciones e Indeterminaciones en el infinito

23.01.202007.11.2024 Anthonny Arias-García1 comentario

Así como hemos podido definir límites finitos de las operaciones básicas entre funciones separando los límites, también será posible definir las operaciones básicas entre límites infinitos teniendo algunas consideraciones. Si $f(x)$ y $g(x)$ son dos funciones cuyos límites tienden a infinito cuando $x$ tiende al infinito; $a(x)$ es una función que tiende a la constante $a_0 \neq 0$ cuando $x$ tiende a infinito y $b(x)$ es una función que tiende cero cuando $x$ tiende a infinito; entonces veamos qué indeterminaciones conseguimos al considerar las siguientes operaciones:

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Suma

La resta de infinitos está indeterminada, porque aunque la noción de infinito se usa para denotar números muy grandes, no necesariamente representan el mismo número. También hay que considerar que hay funciones que crecen de forma distinta respecto a otras, por lo que al considerar la resta entre ellas, hay que estudiar cual de las dos crece con mayor rapidez.

Producto

El producto de cero por infinito está indeterminado. Hay que considerar que hay funciones que crecen o decrecen de forma distinta respecto a otras, por lo que al considerar el producto entre ellas, hay que estudiar cual de las dos crece o decrece con mayor rapidez.

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División

La división entre infinitos está indeterminada, porque aunque la noción de infinito se usa para denotar números muy grandes, no necesariamente representan el mismo número. También hay que considerar que hay funciones que crecen de forma distinta respecto a otras, por lo que al considerar la división entre ellas, hay que estudiar cual de las dos crece con mayor rapidez. De igual forma, la división de cero entre infinito o infinito entre cero está indeterminada pues se debe considerar que hay funciones que crecen o decrecen de forma distinta respecto a otras, por lo que al considerar la división entre ellas, hay que estudiar cual de las dos crece o decrece con mayor rapidez.

Potencias

La expresión uno a la infinito está indeterminada, la expresión infinito a la cero está indeterminada, la expresión cero a la infinito está indeterminada, intuitivamente lo que ocurre es que si se multiplica un número mayor que uno por él mismo de forma indefinida, este producto tenderá hacia al infinito; si se multiplica un número mayor que uno por él mismo de forma indefinida de forma indefinida, este producto tenderá hacia cero; si se multiplica el número uno por él mismo de forma indefinida, este producto será siempre igual a uno. Pero cuando una expresión tiende a uno se multiplica por ella misma de forma indefinida, ¿hacia donde tiende? ¿A cero? ¿A uno? ¿A infinito?

De esta lista de operaciones, se han etiquetado con (IND) los límites indeterminados, más adelante veremos cuales son las técnicas para determinarlos. Por ahora, veamos con algunos ejemplos como calcular este tipo de límites infinitos que no presentan problemas de determinación.

Ejemplos

Ejemplo 1

Considere la función $f(x) = x + 5$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} x + 5 = \infty + 5 = \infty$

Ejemplo 2

Considere la función $f(x) = 3x^2 - 12$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} 3x^2 - 12 = 3 \cdot (\infty)^2 - 12 = 3 \cdot \infty - 12 = \infty - 12 = \infty$

Ejemplo 3

Considere la función $f(x) = 4x^3 + 6(x-14)^2 + 9$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} 4x^3 + 6(x-14)^2 + 9 = 4(\infty)^3 + 6(\infty)^2 + 9 = 4 \cdot \infty + 6 \cdot \infty + 9 = \infty$

Ejemplo 4

Considere la función $f(x) = \frac{1}{x} - \frac{3}{x} + 7$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x} - \frac{3}{x+1} + 7 = \frac{1}{\infty} - \frac{3}{\infty} + 7 = 0 + 0+ 7 = 7$

Ejemplo 5

Considere la función $f(x) = \sqrt{x} + \frac{11}{4x} + \sqrt[5]{x+3}$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} \sqrt{x} + \frac{11}{4x} + \sqrt[5]{x+3} = \sqrt{\infty} + \frac{11}{4 \cdot \infty} + \sqrt[5]{\infty+3} = \infty + 0 + \infty = \infty$

Ejemplo 6

Considere la función $f(x) = (x+2)^{x^2-6}$ , calcule su límite cuando $x$ tiende a infinito.

$\lim_{x \to \infty} (x+2)^{x^2-6} = (\infty+2)^{\infty^2-6} = \infty^{\infty} = \infty$

Indeterminación cero entre cero 0/0 (2 de 2)

16.01.202021.04.2020 Anthonny Arias-GarcíaDeja un comentario

Expresiones radicales

Consideremos ahora la función $f(x) = \frac{\sqrt{x}-1}{x-1}$ y supongamos que queremos calcular su límite cuando $x$ tiende a $1$ , entonces

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

Nuevamente encontramos la indeterminación $\frac{0}{0}$ , por lo tanto debemos desarrollar un método tomando en cuenta algunas ideas previas: Si $a$ y $b$ son dos números reales, el conjugado de la suma $(a+b)$ está definido como $(a-b)$ . De igual forma, el conjugado de la resta $(a-b)$ está definido como $(a+b)$ . Es decir, se cambia el signo que se encuentra entre ellos dos. Considerando esto, siempre se cumple la siguiente igualdad:

$a^2 - b^2 = (a+b)(a-b)$

Esta igualdad se conoce como la diferencia de cuadrados y es fácil de verificar aplicando la propiedad distributiva, pues si multiplicamos la suma de dos números por su conjugado, tenemos que

$(a+b)(a-b) = a^2 -ab + ba - b^2 = a^2 - b^2$

De forma particular, si consideramos la función $f(x) = \frac{\sqrt{x}-1}{x-1}$ , ésta se mantendrá igual si la multiplicamos por el número $1$ , entonces si consideramos el límite que queremos calcular, se mantiene la siguiente igualdad

$\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt{x}-1}{x-1} = \lim_{x \to 1} \frac{\sqrt{x}-1}{x-1} \cdot 1$

A su vez, sabemos que el número $1$ se puede expresar como un número distinto de cero dividido por él mismo. Así, si consideramos el conjugado de la expresión que está en el numerador, $\sqrt{x}+1$ , entonces $1=\frac{\sqrt{x}+1}{\sqrt{x}+1}$ y al sustituir $1$ en el límite obtenemos que

$\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt{x}-1}{x-1} \cdot 1 = \lim_{x \to 1} \frac{\sqrt{x}-1}{x-1} \cdot \frac{\sqrt{x}+1}{\sqrt{x}+1}$

Notamos entonces que si multiplicamos los numeradores de ambos cocientes, obtenemos una diferencia de cuadrados que posteriormente podemos simplificar

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

Una vez simplificado, podemos evaluar el límite

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

Finalmente, concluimos que

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

Consideremos más ejemplos en los que nos encontramos con la indeterminación $\frac{0}{0}$ al calcular el límite de funciones expresadas como un cociente entre polinomios y veamos como abordarla.

Ejemplo 1

Considere la función $f(x) = \frac{x-4}{\sqrt{x}-2}$ y calcule su límite cuando $x$ tiende a $4$

$\lim_{x \to 4} \frac{x-4}{\sqrt{x}-2} = \frac{4-4}{\sqrt{4}-2} = \frac{4-4}{2-2} = \frac{0}{0}$

Este límite es de la forma $\frac{0}{0}$ , por lo que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo. Entonces, multiplicamos y dividimos la función $f(x)$ por el conjugado de $\sqrt{x}-2$ para obtener

$\lim_{x \to 4} \frac{x-4}{\sqrt{x}-2} \cdot \frac{\sqrt{x}+2}{\sqrt{x}+2}$

Notamos entonces que si multiplicamos los denominadores de ambos cocientes, obtenemos una diferencia de cuadrados que posteriormente podemos simplificar

$= \lim_{x \to 4} \frac{(x-4)(\sqrt{x}+2)}{(\sqrt{x})^2-(2)^2} = \lim_{x \to 4} \frac{(x-4)(\sqrt{x}+2)}{x-4}$

Una vez simplificado, podemos evaluar el límite

$\lim_{x \to 4} \sqrt{x}+2 = \sqrt{4}+2 = 2+2 = 4$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 4} \frac{x-4}{\sqrt{x}-2} = \frac{1}{2}$

Ejemplo 2

Considere la función $f(x) = \frac{\sqrt{x+10}-4}{x-6}$ y calcule su límite cuando $x$ tiende a $6$

$\lim_{x \to 6} \frac{\sqrt{x+10}-4}{x-6} = \frac{\sqrt{6+10}-4}{6-6} = \frac{\sqrt{16}-4}{6-6} = \frac{4-4}{6-6} = \frac{0}{0}$

$\lim_{x \to 6} \frac{\sqrt{x+10}-4}{x-6} \cdot \frac{\sqrt{x+10}+4}{\sqrt{x+10}+4}$

Notamos entonces que si multiplicamos los denominadores de ambos cocientes, obtenemos una diferencia de cuadrados

$= \lim_{x \to 6} \frac{(\sqrt{x+10})^2-(4)^2}{(x-1)(\sqrt{x+10}+4)}$

Hacemos la operación en el numerador y posteriormente simplificamos,

$\lim_{x \to 6} \frac{(x+10)-16}{(x-6)(\sqrt{x+10}+4)} = \lim_{x \to 6} \frac{x-6}{(x-6)(\sqrt{x+10}+4)}$

Una vez simplificado, podemos evaluar el límite

$\lim_{x \to 6} \frac{1}{\sqrt{x+10}+4} = \frac{1}{\sqrt{6+10}+4} = \frac{1}{\sqrt{16}+4} = \frac{1}{4+4} = \frac{1}{8}$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 6} \frac{\sqrt{x+10}-4}{x-6} = \frac{1}{8}$

Ejemplo 3

Considere la función $f(x) = \frac{\sqrt{x}-3}{\sqrt{x+16}-5}$ y calcule su límite cuando $x$ tiende a $9$ .

$\lim_{x \to 9} \frac{\sqrt{x}-3}{\sqrt{x+16}-5} = \frac{\sqrt{9}-3}{\sqrt{9+16}-5} = \frac{3-3}{\sqrt{25}-5} = \frac{3-3}{5-5} = \frac{0}{0}$

Este límite es de la forma $\frac{0}{0}$ , por lo que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo. Notamos que hay expresiones con radicales en el numerador y en el denominador. Entonces, multiplicamos y dividimos la función $f(x)$ por el conjugado de ambas expresiones radicales para obtener

$\lim_{x \to 9} \frac{\sqrt{x}-3}{\sqrt{x+16}-5} \cdot \frac{\sqrt{x}+3}{\sqrt{x}+3} \cdot \frac{\sqrt{x+16}+5}{\sqrt{x+16}+5}$

Multiplicamos entonces los factores con sus conjugados correspondientes correspondientes

Generamos entonces diferencias de cuadrados en el numerador y en el denominador; y simplificamos de la siguiente manera

$\lim_{x \to 9} \frac{\big( (\sqrt{x})^2-(3)^2 \big) (\sqrt{x+16}+5)}{\big( (\sqrt{x+16})^2-(5)^2 \big) (\sqrt{x}+3)} = \lim_{x \to 9} \frac{(x-9)(\sqrt{x+16}+5)}{\big( (x+16)-25 \big) (\sqrt{x}+3)}$

Hacemos la operación en el denominador y posteriormente simplificamos,

$\lim_{x \to 9} \frac{(x-9)(\sqrt{x+16}+5)}{(x-9)(\sqrt{x}+3)} = \lim_{x \to 9} \frac{(\sqrt{x+16}+5)}{(\sqrt{x}+3)}$

Una vez simplificado, podemos evaluar el límite

$\lim_{x \to 9} \frac{(\sqrt{x+16}+5)}{(\sqrt{x}+3)} = \frac{(\sqrt{9+16}+5)}{(\sqrt{9}+3)} = \frac{(\sqrt{25}+5)}{(\sqrt{9}+3)} = \frac{5+5}{3+3} = \frac{10}{6} = \frac{5}{3}$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 9} \frac{\sqrt{x}-3}{\sqrt{x+16}-5} = \frac{5}{3}$

Ejemplo 4

Considere la función $f(x) = \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1}$ y calcule su límite cuando $x$ tiende a $1$ .

$\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1} = \frac{\sqrt[3]{1}-1}{1-1} = \frac{1-1}{1-1} = \frac{0}{0}$

Este límite es de la forma $\frac{0}{0}$ , por lo que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo.En este caso, debemos notar inmediatamente que el radical involucrado no es una raíz cuadrada, si no una raíz cúbica.

No podemos usar el mismo factor que usamos en los métodos anteriores. Consideramos entonces una expresión equivalente al conjugado pero que en esta ocasión nos generará una diferencia de cubos.

Entonces, si $a$ y $b$ son dos números reales, siempre se cumple la siguiente igualdad:

$a^3 - b^3 = (a-b)(a^2 + ab + b^2)$

Y en general, también se cumplirá la siguiente desigualdad:

Considerando entonces la función $f(x)$ , multiplicamos y dividimos por $\big( \sqrt[3]{x})^2 + (\sqrt[3]{x})\cdot (1) + (1)^2 \big)$ para obtener

$\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1} \cdot \frac{(\sqrt[3]{x})^2 + (\sqrt[3]{x})\cdot (1) + (1)^2}{ (\sqrt[3]{x})^2 + (\sqrt[3]{x})\cdot (1) + (1)^2}$

Multiplicamos los numeradores de ambos cocientes

Obtenemos una diferencia de cubos

$\lim_{x \to 1} \frac{(\sqrt[3]{x})^3-(1)^3}{(x-1) \big( (\sqrt[3]{x})^2 + \sqrt[3]{x} + 1 \big)}$

Y simplificamos,

$\lim_{x \to 1} \frac{x-1}{(x-1) \big( (\sqrt[3]{x})^2 + \sqrt[3]{x} + 1 \big)} = \lim_{x \to 1} \frac{1}{(\sqrt[3]{x})^2 + \sqrt[3]{x} + 1}$

Una vez simplificado, podemos evaluar el límite

$\lim_{x \to 1} \frac{1}{(\sqrt[3]{x})^2 + \sqrt[3]{x} + 1} = \frac{1}{(\sqrt[3]{1})^2 + \sqrt[3]{1} + 1} = \frac{1}{1+1+1} = \frac{1}{3}$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1} = \frac{1}{3}$

Indeterminación cero entre cero 0/0 (1 de 2)

14.01.202007.12.2022 Anthonny Arias-GarcíaDeja un comentario

Cociente de Polinomios

En ocasiones, podemos encontrar funciones para las cuales no podemos determinar el límite simplemente sustituyendo el valor de $x$ dado, por ejemplo, si consideremos la función $f(x) = \frac{x^2 + 5x + 6}{x+2}$ , notando que no está definida en $-2$ , si queremos calcular el límite cuando $x$ tiende a $-2$ , tenemos que

$\lim_{x \to -2} \dfrac{x^2 + 5x + 6}{x+2} = \dfrac{(-2)^2 + 5(-2) + 6}{-2+2} = \dfrac{4 - 10 + 6}{-2+2} = \dfrac{0}{0}$

El resultado obtenido al evaluar la función en $-2$ es $\frac{0}{0}$ pero esta operación no está definida. Esto no quiere decir que el límite no existe, simplemente no lo hemos podido determinar sustituyendo por lo que decimos que el límite está indeterminado pues recordemos que al calcular el límite de ésta función, estamos considerando los valores de $x$ muy cercanos a $-2$ (no iguales a $-2$ ).

La expresión $\frac{0}{0}$ se conoce como una indeterminación y nuestro propósito será el de hallar la forma de determinar el verdadero valor del límite, a esto algunos autores le llaman romper la indeterminación. Veremos que para distintos tipos de funciones, existen distintas técnicas que se basan en el resultado que veremos a continuación.

Si $g(x)$ es una función igual a $f(x)$ en todo su dominio excepto en $x_0$ , incluso, si $g(x)$ se puede obtener manipulando algebraicamente la expresión que define a $f(x)$ , entonces concluimos que

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

Sabiendo esto, podemos determinar el límite de $f(x) = \frac{x^2 + 5x + 6}{x+2}$ cuando $x$ tiende a $-2$ notando que ésta está expresada como la división entre dos polinomios. Considerando que la expresión $x^2 + 5x + 6$ se puede factorizar de la siguiente manera:

$\lim_{x \to -2} \dfrac{(x+2)(x+3)}{x+2}$

Notamos entonces que $(x+2)$ es un factor que se encuentra en el numerador y en el denominador, la división entre ellos dos es igual a uno, así el límite se reduce a

$\lim_{x \to -2} (x+3)$

Ya que hemos simplificado la expresión que se encuentra en el límite, podemos sustituir el valor de $x$ de la forma que lo hemos hecho anteriormente, para obtener que

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

Finalmente, concluimos que

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

Consideremos más ejemplos en los que nos encontramos con la indeterminación $\frac{0}{0}$ al calcular el límite de funciones expresadas como un cociente entre polinomios y veamos como abordarla.

Ejemplo 1

Calcule el límite de la función $f(x)=\frac{2x^2 - 7x}{5x}$ cuando $x$ tiende a $0$ .

$\lim_{x \to 0} \frac{2x^2 - 7x}{5x} = \frac{2(0)^2 - 7(0)}{5(0)} = \frac{0 - 0}{0} = \frac{0}{0}$

Este límite está indeterminado de la forma $\frac{0}{0}$ , así que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo. Notemos entonces que $x$ es un factor común en en el numerador, por lo tanto podemos factorizar $2x^2 - 7x$ de la siguiente manera:

$\lim_{x \to 0} \frac{x(x - 7)}{5x}$

Notamos entonces que $x$ es un factor que se encuentra en el numerador y en el denominador, la división entre ellos dos es igual a uno, así el límite se reduce a

$\lim_{x \to 0} \frac{2x - 7}{5}$

Ya que hemos simplificado la expresión que se encuentra en el límite, podemos sustituir el valor de $x$ de la forma que lo hemos hecho anteriormente, para obtener que

$\lim_{x \to 0} \frac{2x - 7}{5} = \frac{2(0) - 7}{5} = -\frac{7}{5}$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 0} \frac{2x^2 - 7x}{5x} = -\frac{7}{5}$

Ejemplo 2

Calcule el límite de la función $f(x)=\frac{x^3+4x^2-x-4}{x-1}$ cuando $x$ tiende a $1$ .

$\lim_{x \to 1} \frac{x^3+4x^2-x-4}{x-1} = \frac{(1)^3 + 4(1)^2 - (1) - 4)}{1-1} = \frac{1 +4 -1-4}{0} = \frac{0}{0}$

Este límite está indeterminado de la forma $\frac{0}{0}$ , así que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo. Notamos de forma inmediata que $x=1$ es una raíz de la expresión $x^3+4x^2-x-4$ , así que podemos aplicar el Método de Ruffini para factorizarla de la siguiente manera:

Los coeficientes obtenidos son los coeficientes de un polinomio de segundo grado, por lo que el límite quedará expresado así

$\lim_{x \to 1} \frac{(x-1)(x^2 +5x + 4)}{x-1}$

Notamos entonces que $x-1$ es un factor que se encuentra en el numerador y en el denominador, la división entre ellos dos es igual a uno, así el límite se reduce a

$\lim_{x \to 1} x^2 +5x + 4$

Ya que hemos simplificado la expresión que se encuentra en el límite, podemos sustituir el valor de $x$ de la forma que lo hemos hecho anteriormente, para obtener que

$\lim_{x \to 1} x^2 +5x + 4 = (1)^2 +5(1) + 4 = 1 +5 + 4 = 10$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to 1} \frac{x^3+4x^2-x-4}{x-1} = 10$

Ejemplo 3

Calcule el límite de la función $f(x)=\frac{4x^3+4x^2-136x+224}{x^4 + 3x^3 -23x^2 +33x-14}$ cuando $x$ tiende a $-7$ .

$\lim_{x \to -7} \frac{4x^3+4x^2-136x+224}{x^4 + 3x^3 -23x^2 +33x-14}$
$= \frac{4(-7)^3+4(-7)^2-136(-7)+224}{(-7)^4 + 3(-7)^3 -23(-7)^2 +33(-7)-14}$
$= \frac{-1372+196+952+224}{2401 -1029 -1127 -231-14}$
$= \frac{0}{0}$

Este límite está indeterminado de la forma $\frac{0}{0}$ , así que debemos manipular algebraicamente la función $f(x)$ para determinarlo. Notamos de forma inmediata que $x=-7$ es una raíz de las expresiones $4x^3+4x^2-136x+224$ y $x^4 + 3x^3 -23x^2 +33x-14$ , así que podemos aplicar el Método de Ruffini para factorizarlas de la siguiente manera:

Los coeficientes obtenidos son los coeficientes de un polinomio de segundo grado y otro de tercer grado, respectivamente, por lo que el límite quedará expresado así

$\lim_{x \to -7} \frac{(x+7)(4x^2 -24x + 32)}{(x+7)(x^3 -4x^2+5x+2)}$

Notamos entonces que $x+7$ es un factor que se encuentra en el numerador y en el denominador, por lo tanto, la división entre ellos dos es igual a uno, así el límite se reduce a

$\lim_{x \to -7} \frac{4x^2 -24x + 32}{x^3 -4x^2+5+2}$

Ya que hemos simplificado la expresión que se encuentra en el límite, podemos sustituir el valor de $x$ de la forma que lo hemos hecho anteriormente, para obtener que

$\lim_{x \to -7} \frac{4x^2 -24x + 32}{x^3 -4x^2+5x+2} = \frac{4(-7)^2 -24(-7) + 32}{(-7)^3 -4(-7)^2+5x+2} = -\frac{396}{527}$

Finalmente, concluimos que

$\lim_{x \to -7} \frac{4x^3+4x^2-136x+224}{x^4 + 3x^3 -23x^2 +33x-14} = -\frac{396}{527}$

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