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Análisis de la rapidez de convergencia a cero de funciones infinitas en x0 - Prof. Martíne, Apuntes de Cálculo

Este documento trata sobre cómo medir la rapidez relativa de convergencia a cero entre dos funciones infinitas en un punto x0. Se discuten los casos en los que las funciones son infinitas en x0 y se comparan mediante el cálculo de límites. Se incluyen ejemplos con funciones polinomiales y racionales.

Tipo: Apuntes

2017/2018

Subido el 17/01/2018

antrabat
antrabat 🇪🇸

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bg1
c`
alcul i 2017/2018
Usosde la derivada
1 propiedadesde losl´
ımites
Comenzamoscon unresumende laspropiedadesalgebraicasde operaciones sobrel´
ımites.
Proposici´
on. Seanf,gy x0tales quelimxx0f(x)ylimxx0g(x)existenyson finitos.Entonces,
...limxx0[f(x)±g(x)]=limxx0f(x)±limxx0g(x);
...limxx0[cf(x)]=climxx0f(x),para cada c R;
...limxx0[f(x)g(x)]=limxx0f(x)limxx0g(x);
...limxx0
f(x)
g(x)=limxx0f(x)
limxx0g(x),si g(x)0ylimxx0g(x)0;
...limxx0[f(x)]g(x)=[limxx0f(x)]lim xx0g(x),sif(x)>0y f>0.
En loscasosenque bien limxx0f(x)o limxx0g(x)oambos son infinitos,solo sepuedendaralgunos resultados
parciales sobrela aritm´
etica de losl´
ımites.En lasexpresiones siguientes,Res un l´
ımite finito,y+∞,−∞y 0
indicansiempre comportamientosde l´
ımitesde funciones,no n´
umeros.
± =±∞
+∞+=+∞
−∞=−∞
(+∞)=+∞si>0(ytodaslasotrascombinaciones seg´
un los signosde 0 y de ±∞)
0+=+∞si>0(ytodaslasotrascombinaciones seg´
un los signosde 0 y de 0±)
±∞ =0
Trataremosm´
as tarde loscasos+∞,0(±∞),0
0,±∞
±∞,1±∞,00y(+∞)0, conocidoscomo indeterminaciones.
El l´
ımite depende de larapidezrelativa de convergencia a ceroyde divergencia al infinito,yla comparaci´
on de estos
valoresentorno a ceroeinfinitoconstituyeunaherramientaimportante en muchasaplicacionesdelc´
alculo.
2infinitoseinfinit´
esimosde orden inferior,superiorydel mismo orden
Dada una funci´
on f(x)yunx0ensu dominio (o enelborde del mismo,incluyendo infinito), decimos quefes
infinit´
esima(o un infinit´
esimo) enx0si limxx0f(x)=0;fesinfinita(o un infinito) enx0si limxx0f(x)=.
Comencemoscomparando infinitos.Seanf,gfuncionesinfinitasenx0. Para conocerlarapidezrelativa de diver-
gencia al infinito hayque evaluarel l´
ımite: limxx0
f(x)
g(x).Siestel´
ımiteno existe, se dice quefygson infinitosno
comparablesenx0.Siel l´
ımite existe, distinguimosloscasos siguientes:
0fes uninfinitode orden inferioragenx0,ofdivergem´
aslentamente;
0<k<fygson infinitosdel mismo ordenenx0,ofygdivergencon lamismarapidez;
fes uninfinitode ordensuperioragenx0,ofdivergem´
as r´
apidamentequeg.
1
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa

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¡Descarga Análisis de la rapidez de convergencia a cero de funciones infinitas en x0 - Prof. Martíne y más Apuntes en PDF de Cálculo solo en Docsity!

Š*"vŠnv T — }ªÏ9/}ªÏÊ

UMÕM Ü v* Ü !Tw**

Ï ü!ÕüTÜ*Ü M Ü vÕM v

¬TuÜM

Comenzamos con un resumen de las propiedades algebraicas de operaciones sobre l´ımites.

Proposici´on. Sean f , g y x ª

tales que lim

x→x ª

f (x) y lim

x→x ª

g(x) existen y son finitos. Entonces,

-... lim x→x ª

[ f (x) ± g(x)] = lim x→x ª

f (x) ± lim x→x ª

g(x);

-... lim

x→x ª

[c ⋅ f (x)] = c ⋅ lim

x→x ª

f (x), para cada c ∈ R;

-... lim

x→x ª

[ f (x) ⋅ g(x)] = lim

x→x ª

f (x) ⋅ lim

x→x ª

g(x);

-... lim x→x ª

f (x)

g(x)

lim x→x ª

f (x)

lim x→x ª

g(x)

, si g(x) ≠ ª y lim x→x ª

g(x) ≠ ª;

-... lim x→x ª

[ f (x)]

g(x)

= [lim x→x ª

f (x)]

lim x→x ª

g(x)

, si f (x) > ª y ℓ

f

En los casos en que bien lim x→x ª

f (x) o lim

x→x ª

g(x) o ambos son infinitos, solo se pueden dar algunos resultados

parciales sobre la aritm

etica de los l

ımites. En las expresiones siguientes, ℓ ∈ R es un l

ımite finito, y +∞, −∞ y ª

indican siempre comportamientos de l´ımites de funciones, no nu´meros.

  • ℓ ⋅ (+∞) = +∞ si ℓ > ª (y todas las otras combinaciones segu´n los signos de ℓ ≠ ª y de ±∞)

ª

= +∞ si ℓ > ª (y todas las otras combinaciones segu´n los signos de ℓ ≠ ª y de ª

±

±∞

Trataremos m

as tarde los casos +∞ − ∞, ª ⋅ (±∞),

ª

ª

±∞

±∞

, Ï

±∞

ª

y (+∞)

ª

, conocidos como indeterminaciones.

El l´ımite depende de la rapidez relativa de convergencia a cero y de divergencia al infinito, y la comparaci´on de estos

valores en torno a cero e infinito constituye una herramienta importante en muchas aplicaciones del c´alculo.

} T˜T˜TuÕM Ü T˜T˜Tu

ÜMTÕM Ü Õ!Ü ˜ T˜Ü!TÕ!, MnüÜ!TÕ! • Ü v TMÕ Õ!Ü ˜

Dada una funci´on f (x) y un x ª

en su dominio (o en el borde del mismo, incluyendo infinito), decimos que f es

infinit´esima (o un infinite´simo) en x ª

si lim

x→x ª

f (x) = ª; f es infinita (o un infinito) en x

ª

si lim

x→x ª

f (x) = ∞.

Comencemos comparando infinitos. Sean f , g funciones infinitas en x ª

. Para conocer la rapidez relativa de diver-

gencia al infinito hay que evaluar el l´ımite: lim x→x ª

f (x)

g(x)

. Si este l´ımite no existe, se dice que f y g son infinitos no

comparables en x ª

. Si el l´ımite existe, distinguimos los casos siguientes:

ª f es un infinito de orden inferior a g en x

ª

, o f diverge ma´s lentamente ;

ª < k < ∞ f y g son infinitos del mismo orden en x

ª

, o f y g divergen con la misma rapidez;

∞ f es un infinito de orden superior a g en x

ª

, o f diverge ma´s r´apidamente que g.

Ï

Ejemplo Ï. Por ejemplo, para comparar la rapidez de divergencia al infinito de f (x) = }ªªªx

}

y g(x) = x

k

cuando

x → +∞, calculamos el l´ımite de la raz´on entre f y g:

lim

x→+∞

}ªªªx

}

x

k

= lim

x→+∞

x

habiendo usado la convenci´on

Por tanto, podemos decir que f (x) = }ªªªx

}

es un infinito de orden inferior a g(x) = x

k

para x → +∞ o bien que

g(x) = x

k

es un infinito de orden superior a f (x) = }ªªªx

}

para x → +∞.

Ejemplo }. A partir de las definiciones de infinito y de funcion´ divergente, vemos que las funciones f (x) = }x +

x sin(x) y g(x) = x son infinitos en x ª

= +∞. Si las comparamos,

lim

x→+∞

f (x)

g(x)

= lim

x→+∞

}x + x sin(x)

x

= lim

x→+∞

(} + sin(x)),

que no existe. Por lo tanto, f y g sin infinitos no comparables en x ª

Sean ahora f , g funciones infinit´esimas en x ª

∈ D. Ahora la cuesti´on es saber si podemos “medir” la rapidez relativa

de convergencia a ª entre f y g. Como antes, vamos a evaluar el l´ımite: lim x→x ª

f (x)

g(x)

. Si este l´ımite no existe, se dice

que f y g son infinitesimos no comparables en x ª

. Si el l´ımite existe, distinguimos los casos siguientes:

ª f es un infinit´esimo de orden superior a g en x ª

, o f converge a cero ma´s r´apidamente que g ;

ª < k < ∞ f y g son infinite´simos del mismo orden en x

ª

, o f y g van a ª con la misma rapidez;

∞ f es un infinit´esimo de orden inferior a g en x

ª

, o f converge a ª m´as lentamente que g.

Consideremos otra vez f (x) = }ªªªx

}

y g(x) = x

k

pero examinemos sus comportamiento cuando x → ª

y

ambas funciones convergen a ª.

lim

x→ª

}ªªªx

}

x

k

= lim

x→ª

x

habiendo usado la convenci´on

ª

Por tanto, podemos decir que f (x) = }ªªªx

}

es un infinit´esimo de orden inferior a g(x) = x

k

para x → ª

o bien

que g(x) = x

k

es un infinit´esimo de orden superior a f (x) = }ªªªx

}

para x → ª

Ejemplo k. Se puede demostrar que f (x) = x

}

sin‰

Ï

x

Ž es un infinit´esimo en x ª

= ª porque lim x→ª

‰x

}

sin‰

Ï

x

Por otro lado, vemos que g(x) = x

}

tambi´en es un infinite´simo en x

ª

= ª, ya que lim

x→ª

x

}

= ª. Si los comparamos,

lim

x→ª

f (x)

g(x)

= lim

x→ª

x

}

sin‰

Ï

x

x

}

= lim

x→ª

sin‰

Ï

x

que no existe. Por lo tanto, f y g son infinite´simos no comparables en x ª

Problema . Demostreu que les funcions f (x) =

kx

k

−x+

x−}

i g(x) = − 9 x

}

  • x − Ï} son in´ finits del mateix ordre quan

x → +∞.

Hem de demostrar que lim

x→+∞

f (x)

g(x)

= k ∈ R

f (x) ∼

x→+∞

f (x) =

kx

k

x

= kx

}

i g(x) ∼

x→+∞

g(x) = − 9 x

}

lim

x→+∞

f (x)

g(x)

= lim

x→+∞

f (x)

g(x)

= lim

x→+∞

kx

}

− 9 x

}

= lim

x→+∞

k

k

= k ∈ R

Observacion.´ Si f (x) ∼ x→x ª

f (x) y g(x) ∼

x→x ª

g˜(x), entonces

f (x) ⋅ g(x) ∼

x→x ª

f (x) ⋅

g(x) y

f (x)

g(x)

x→x ª

f (x)

g ˜(x)

En general, f (x) + g(x) ~∼ x→x ª

f (x) +

g(x).

Ejemplo C. Si f (x) = kx

}

f (x) = kx

}

  • x, g(x) = −kx

}

y

g(x) = −kx

}

  • x, tenemos que

f (x) ∼

x→+∞

f (x), y g(x) ∼

x→+∞

g(x)

porque

lim

x→+∞

f (x)

f (x)

= lim

x→+∞

kx

}

kx

}

  • x

= lim

x→+∞

k

k +

Ï

x

= Ï

y an´alogamente para g y

g.

Se puede comprobar que f (x) ⋅ g(x) ∼ x→+∞

f (x) ⋅

g(x) y

f (x)

g(x)

x→+∞

˜

f (x)

g ˜(x)

. Por otro lado,

lim

x→+∞

f (x) + g(x)

f (x) + g˜(x)

= lim

x→+∞

kx

}

− kx

}

kx

}

  • x − kx

}

  • x

= lim

x→+∞

}x

= lim

x→+∞

ª = ª ≠ Ï,

y por lo tanto f (x) + g(x) ~∼ x→+∞

f (x) + g˜(x).

Como veremos en m´as detalle en la siguiente secci´on, en este ejemplo hemos comprobado que la suma de dos

infinitos es as

ıntotica al infinito de orden superior: lim x→+∞

kx

}

= +∞ y lim x→+∞

x = +∞, por lo tanto kx

}

y x son

infinitos cuando x → +∞; el infinito kx

}

es el de orden superior de los dos; y hemos visto que kx

}

  • x ∼

x→+∞

kx

}

al demostrar que f (x) ∼ x→+∞

f (x). Con las mismas funciones podemos comprobar que la suma de infinit

esimos

es as´ıntotica al infinit´esimo de orden inferior: lim x→ª

kx

}

= ª y lim

x→ª

x = ª, por lo tanto kx

}

y x son infinit´esimos

cuando x → ª; el infinit´esimo x es el de orden inferior de los dos; y

lim

x→ª

kx

}

  • x

x

= lim

x→ª

kx + Ï

Ï

= Ï,

es decir, kx

}

  • x ∼

x→ª

x.

 ŠvŠnvÕ Ü v¬TuÜM Ü üÕvT˜ÕTÕM • n˜ŠT՘ÜM !ŠT՘vÜM Ü T˜uÜ !Üv*ŠT՘ÜM MT˜uÕuTŠM

Sea f (x) = a n

x

n

  • a

n−Ï

x

n−Ï

+... + a

Ï

x + a

ª

un polinomio de grado n. Como el polinomio es una funcion´ continua,

los l´ımites en puntos finitos se calculan de forma trivial. Los u´nicos limites no triviales son los l´ımites para x → ∞

porque se puede presentar la forma de indeterminaci

on +∞−∞. Por ejemplo: f (x) = }x

}

−kx +Ï presenta la forma

de indeterminacion´ +} ⋅ ∞ − k ⋅ ∞ + Ï = +∞ − ∞, gracias a las formulas de aritmetizacion p´ arcial del ∞.

Para entender c´omo analizar esos limites, vamos a reescribir f (x) utilizando x

n

como factor com´un:

f (x) = x

n

‹a

n

  • a

n−Ï

x

n−Ï

x

n

+... + a

Ï

x

x

n

a

ª

x

n

o sea

f (x) = x

n

‹a n

a

n−Ï

x

a

Ï

x

n−Ï

a

ª

x

n

As´ı, f (x) se expresa como un producto; sabemos que si tomamos el l´ımite para x → ∞ de f (x), ´este sera e´ l producto

de los l´ımites de los dos factores. El l´ımite del factor contenido entre par´entesis es evidentemente a n

y por lo tanto:

lim

x→x ª

f (x) = lim

x→∞

a

n

x

n

entonces

lim x→∞

f (x)

lim x→∞

a n

x

n

= Ï, pero de

lim x→∞

f (x)

lim x→∞

a n

x

n

= lim x→∞

f (x)

a n

x

n

se sigue que

a

n

x

n

  • a

n−Ï

x

n−Ï

+... + a

Ï

x + a

ª

x→∞

a

n

x

n

es decir: un polinomio es asint´otico, para x → ∞, a su t´ermino de grado m´aximo, o sea, a n

x

n

+a

n−Ï

x

n−Ï

+.. .+a

Ï

x+a

ª

diverge al infinito con la misma rapidez que a n

x

n

, independientemente de cua´n grandes sean los coeficientes de las

potencias de x de grado inferior a n.

Una consecuencia inmediata es la siguiente:

a

n

x

n

  • a

n−Ï

x

n−Ï

+... + a

Ï

x + a

ª

b

m

x

m

  • b

m−Ï

x

m−Ï

+... + b

Ï

x + b

ª

x→∞

a

n

x

n

b

m

x

m

a

n

b

m

x

n−m

Ejemplo: calcular lim x→∞

kªx



+}ªªªx

}

+ʪ

− 9 x

Ê

}x

. Tenemos que

kªx



  • }ªªªx

}

+ ʪ

− 9 x

Ê

}x

x→±∞

x

−

x→±∞

entonces lim x→±∞

kªx



+}ªªªx

}

+ʪ

− 9 x

Ê

}x

Ejemplo: calcular lim x→∞

−x



+x

k

+Êx

kx



−ϕx

}

. Tenemos que

−x



  • x

k

  • Êx

kx



− ϕx

}

x→±∞

Ï

k

x

ª

Ï

k

x→±∞

Ï

k

Con la misma tec´nica utilizada para determinar los resultados arriba, se demuestra que la suma de infinitos es

asinto´tica al infinito de orden superior y la suma de infinite´simos es asintotica al infinit´esimo de orden inferior.

 n˜ŠT՘ÜM ܁ü՘ܘŠT*vÜM

Una funcion´ f se dice exponencial con base a si f (x) = a

x

a es el factor multiplicativo en el que la funci´on cambia cuando x aumenta en una unidad. Si a > Ï entonces tenemos

crecimiento exponencial y si a < Ï entonces tenemos decaimiento exponencial.

Siempre que a > ª, la funcion´ exponencial esta defi´ nida para todos los nu´meros reales. Por conveniencia, supone-

mos tambi´en que a ≠ Ï.

Es un ejercicio ut´il verificar que a se puede relacionar con el porcentaje de crecimiento o decaimiento. Por ejemplo,

si a = Ï.ªk, f crece al kì; si a = ª.•, f decrece al ì por unidad de tiempo.

La funcion´ exponencial es siempre positiva, es decir a

x

ª. Adem´as, tenemos que lim

x→−∞

a

x

es +∞ si a < Ï y ª

si a > Ï. De una manera an´aloga, lim x→∞

a

x

es ª si a < Ï e ∞ si a > Ï.

Cuanto mayor sea a, m

as r

apido se acercar

a la funci

on a +∞ y cuando m

as peque

no sea a, m

as r

apidamente se

acercara´ la funcion´ a ª. En t´erminos de infinitos e infinit´esimos, decimos que b

x

es un infinito de orden superior a

a

x

si b > a y que b

x

es un infinit´esimo de orden superior si b < a.

La funci´on exponencial es c´oncava para cualquier valor de a. Claramente, es creciente si a > Ï y decreciente si a < Ï.

Este comportamiento se puede verificar a trav´es de sus derivadas: f

(x) = a

x

ln a y f

(x) = a

x

(ln a)

}

Para calcular la derivada de la funcion´ exponencial se usa la identidad a

x

= e

x ln a

, en la que se expresa la exponencial

en base e, donde e = }. 9 ÏÊ}ÊÏÊ}ÊC.... Observemos que cuando a > Ï, ln a > ª y cuando a < Ï, ln a < ª, o en otras

palabras e

kx

es creciente cuando k > ª y decreciente cuando k < ª.

  • log

a

x

p

= p log

a

x;

  • log

a

a

x

= x;

  • a

log

a

x

= x;

  • log

a

x =

ln x

ln a

Problema 9. Calculem les derivades de les funcions seg¨uents:

(a) f (x) = e

x

x+Ï (b) f (x) = sin

9 x−}

(kx

}

− Ï)

Soluci´o. (a) Per a la funci´on f (x) = e

x

x+Ï , i en general per resoldre derivades on hi apareixen expressions exponenci-

als, resulta ´util fer servir logaritmes. En aquest cas podem fer: ln f (x) = ln e

x

x+Ï

. Per tant, ln f (x) =

x

x + Ï

i, derivant

els dos membres d’aquesta igualtat, obtenim:

f

(x)

f (x)

x

x + Ï

Ï ⋅ (x + Ï) − x ⋅ Ï

(x + Ï)

}

Ï

(x + Ï)

}

Finalment, f

(x) = f (x).

Ï

(x + Ï)

}

e

x

x+Ï

(x + Ï)

}

(b) Per la funci

o f (x) = sin

9 x−}

(kx

}

− Ï), i en general per resoldre derivades com aquesta, en la que hi apareix una

expressi´o de la forma f (x)

g(x)

, podem prendre logaritmes en els dos membres de la igualtat. Llavors tenim:

ln( f (x)) = ln(sin

9 x+}

(kx

}

− Ï)) =

9 x + } ln(sin(kx

}

− Ï)).

Derivant els dos membres de la igualtat obtenim:

f

(x)

f (x)

9 ln(sin(kx

}

− Ï))

9 x + }

Cx

9 x + } cos(kx

}

− Ï)

sin(kx

}

− Ï)

I, per tant,

f

(x) = sin

9 x−}

(kx

}

− Ï) ⋅ 

9 ln(sin(kx

}

− Ï))

9 x + }

Cx

9 x + } cos(kx

}

− Ï)

sin(kx

}

− Ï)

Observaci

on. M

es en general, el truc per derivar f (x)

g(x)

es rescriure aquesta expressi

o amb una exponencial:

f (x)

g(x)

= e

ln f (x)

g(x)

= e

g(x) ln f (x)

llavors:

[ f (x)

g(x)

]

= [e

g(x) ln f (x)

]

= e

g(x) ln f (x)

g

(x) ln f (x) +

g(x) f

(x)

f (x)

Problema Ê. Calcula els l´ımits segu¨ents.

(a) lim

x→+∞

}x

k

  • x + Ï

(x + Ï)

k

(c) lim

x→+∞

x

x (e) lim

x→−∞

ln‰e

x

}

  • x

k

x

}

− Ê

(b) lim

x→+∞

x

− x

x+Ï

(d) lim

x→+∞

Ï

(k + sin(}x))

x

(f) lim

x→−∞

e

x k

x + Ï

Soluci´o. (a) Escrivim

lim

x→+∞

}x

k

  • x + Ï

(x + Ï)

k

= lim

x→+∞

f (x)

g(x)

f (x)

g(x)

x→+∞

x

k

x

k

Tots els altres termes del desenvolupament de (x + Ï)

k

s´on infinits d’ordre inferior.

(b) En aquest cas,

lim

x→+∞

x

− x

x+Ï

= lim

x→+∞

f (x)

g(x)

f (x)

g(x)

x→+∞

x

x+Ï

Ï

x+Ï−



x

Ï

(c) Ara, reescrivim

x

x com:

x

x = x

Ï

x = e

ln x

Ï

x

= e

Ï

x

ln x

lim

x→+∞

Ï

x

ln x = ª

perqu`e ln x ´es un infinit d’ordre inferior respecte d’x quan x → +∞, la qual cosa implica que

lim

x→+∞

x

x = lim

x→+∞

e



ª

ln x

x = e

ª

= Ï

De fet, la t`ecnica d’escriure f (x)

g(x)

= e

g(x) ln f (x)

´es ut´il en diferents situacions.

(d) En general, quan apareixen funcions oscil·lants per`o fitades com ara sin(x) i cos(x), en molts casos resulta

convenient fitar les funcions. Doncs, per a qualsevol x ∈ R, es verifica que

−Ï ≤ sin(}x) ≤ Ï

k − Ï ≤ k+ sin(}x) ≤ k + Ï

} ≤ k+ sin(}x) ≤ 

x

≤ (k+ sin(}x))

x

x

Com que la base ´es > Ï, tenim que (k+sin(}x))

x

´es una funcio´ creixent. Prenent el rec´ıproc les relacions s’inverteixen:

Ï

x

Ï

(k + sin(}x))

x

Ï

x

Donat que

Ï



x

x→+∞

ª i que

Ï

}

x

x→+∞

ª, hem fitat la funci

o per dues funcions que ambdues tendeixen a ª i es pot

concloure que el l´ımite de la funcio´ ´es tamb´e ª,

Ï

(k + sin(}x))

x

x→+∞

(e) En primer lloc, observem que lim

x→−∞

ln‰e

x

}

  • x

k

x

}

− Ê

= lim

x→−∞

f (x)

g(x)

, i que a m´es

f (x)

g(x)

x→+∞

ln(e

x

}

x

}



 x

}



 x

}

= Ï.

Per tant,

lim

x→−∞

ln(e

x

}

  • x

k

x

}

− Ê

= Ï.

Ê

que a priori presenta la forma de indeterminacion´

+∞

+∞

. Si definimos f (x) = x −sin(x) y g(x) = x +sin(x), entonces

f

(x) = Ï − cos(x) y g

(x) = Ï + cos(x) y todas las hip´otesis de la regla d’Hˆopital se verifican, excepto que el l´ımite

lim

x→+∞

f

(x)

g

(x)

= lim

x→+∞

Ï − cos(x)

Ï + cos(x)

no existe porque

Ï − cos(x)

Ï + cos(x)

ª si x = }kπ, para todo k ∈ Z

+∞ si x = π + }kπ, para todo k ∈ Z.

Esto no quiere decir que el l´ımite original no exista, sino que hay que calcularlo de otra manera. En efecto, si

manipulamos un poco la expressi´on,

lim

x→+∞

x − sin(x)

x + sin(x)

= lim

x→+∞

Ï −

sin(x)

x

Ï +

sin(x)

x

Ï − ª

Ï + ª

= Ï,

ya que ya hab´ıamos visto que lim x→+∞

sin(x)

x

Observacion.´ Evidentemente, en caso de que lim x→x ª

f

(x)

g

(x)

vuelva a ser

ª

ª

o

±∞

±∞

, si f

y g

tambi´en cumplen todas

las otras hip

otesis del teorema, la regla d’H

opital se puede volver a aplicar.

Problema ÏÏ. Calculeu els l´ımits segu¨ents.

(a) lim

x→ª

ln(Ï + }x)

sin(kx)

(c) lim

x→+∞

cosh

x

}

+Ï −x

(x) (e) lim

x→+∞

x ⋅ ln‹

x + k

x + Ï

(b) lim

x→Ï

(x − Ï)

}

e

k(x−Ï)

}

− Ï

(d) lim

x→ª

ln(cos(x))

x

}

(f) lim

x→ª

(Ï + sin(x))

kx

Ï−cos(x)

Soluci´o. (a) Podem fer servir directament la regla de l’H

opital:

lim

x→ª

f

(x)

g

(x)

= lim

x→ª

}

Ï+}x

k cos(kx)

k

(b) De nou, aplicant la regla de l’H

opital, tenim

lim

x→Ï

f

(x)

g

(x)

= lim

x→Ï







(x − Ï)





:

Ï

e

k(x−Ï)

}

⋅ C







(x − Ï)

C

Ï

k

i llavors

lim

x→Ï

f (x)

g(x)

Ï

k

(c) Aqu´ı no es pot fer servir directament el teorema de l’Hopiˆ tal perqu`e tenim la forma d’indeterminaci´o ∞

Recordant que quan tenim f (x)

g(x)

´es ut´il passar a la escriptura exponencial, observem que

f (x)

g(x)

= e

ln f (x)

g(x)

= e

g(x) ln f (x)

= e

(

x

}

+Ï−x) ln(cosh)

Ara, si multipliquem i dividim el exponent pel conjugat de

x

}

  • Ï − x, ´es a dir per

x

}

  • Ï + x, obtenim

x

}

  • Ï − x) ln cosh(x) =

x

}

  • Ï − x))(

x

}

  • Ï + x)) ln cosh(x)

x

}

  • Ï + x

(x

}

  • Ï − x

}

) ln cosh(x)

x

}

  • Ï + x)

ln cosh(x)

x

}

  • Ï + x

Ϫ

que ´es una indeterminacio´ de la forma

. Llavors, aplicant la regla de l’Hopiˆ tal, obtenim

lim

x→Ï

ln cosh(x)

x

}

  • Ï + x

= lim

x→Ï

(ln cosh(x))

x

}

  • Ï + x)

= lim

x→Ï

sinh(x)

cosh(x)

x

x

}

+ Ï

Ï

Ï + Ï

Ï

Tornant en darrera,

lim

x→+∞

(cosh x)

x

}

+Ï−x

= lim

x→+∞

e

(

x

}

+Ï−x) ln(cosh x)

= lim

x→+∞

e

Ï

}

e.

(d) Fent servir directament la regla de l’Hopiˆ tal,

lim

x→ª

(ln(cos x))

(x

}

= lim

x→ª

− sin x

cos x

}x

= lim

x→ª

− tan x

}x

´es a dir una indeterminacio´ de la forma

ª

ª

. Ara, aplicant un altra vegada la regla de l’Hopiˆ tal, trobem que

lim

x→ª

(− tan x)

(}x)

Ï + tan

}

x

Ï

i per tant

lim

x→ª

ln(cos x)

x

}

Ï

(e) En aquest cas, fem servir equival`encies as´ıntotiques.

x ln

x + k

x + Ï

= x ln

x + Ï + }

x + Ï

= x ln(

x + Ï

x + Ï

x + Ï

) = = x ln(Ï +

x + Ï

x→∞

x

x + Ï

x→∞

}x

x

(f) Com que el l´ımit ´es de la forma lim

x→ª

f (x)

g(x)

, passem a la forma exponencial:

e

g(x) ln f (x)

= e

kx

Ï−cos x

ln(Ï+sin x)

= e

φ(x)

, on φ(x) =

kx

Ï − cos x

ln(Ï + sin x).

De nou, amb les equival`encies as´ıntotiques trobem que

kx

Ï − cos x

x→ª

kx



Ï −



Ï +

x

}

C

x

i

ln(Ï + sin x) ∼

x→ª

sin x ∼

x→ª

x,

per tant

φ(x) ∼

x→ª

C



x



x = C

i finalment

e

φ(x)

x→ª

e

C

= lim

x→ª

(Ï + sin x)

kx

Ï−cos x .

ÏÏ