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Cálculo I

4 Aplicaciones de la derivada

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4.1 Regla de L’Hôpital

La regla de L’Hôpital111Guillaume François Antoine, Marquis de l’Hôpital, 1661 - 1704, matemático francés. Fuente: Wikipedia: Guillaume de l’Hôpital. es una técnica para calcular límites de indeterminaciones. Sean f y g funciones derivables en un intervalo abierto que contiene x=a. Por las linealizaciones de f y g alrededor de x=a (Sección3.7), tenemos

f(x)=f(a)+f(a)(x-a)+εf(x-a), (4.1)
g(x)=g(a)+g(a)(x-a)+εg(x-a), (4.2)

con εf,εg0 cuando xa. De esta forma, podemos inferir que

lı´mxaf(x)g(x)=lı´mxaf(a)+f(a)(x-a)+εf(x-a)g(a)+g(a)(x-a)+εg(x-a) (4.3)

Con esto, si f(a)=g(a)=0 y g(a)0, entonces

lı´mxaf(x)g(x)=lı´mxaf(a)(x-a)+εf(x-a)g(a)(x-a)+εg(x-a) (4.4)
=lı´mxaf(a)+εfg(a)+εg (4.5)
=f(a)g(a) (4.6)

4.1.1 Indeterminaciones del tipo 0/0

Teorema 4.1.1.(Regla de L’Hôpital del tipo 0/0)

Suponga que f y g son funciones derivables en un intervalo abierto que contiene x=a, excepto posiblemente en x=a, y que

lı´mxaf(x)=0, (4.7)
lı´mxag(x)=0 (4.8)

Si, además, lı´mxaf(x)/g(x) existe o es ±, entonces

lı´mxaf(x)g(x)=lı´mxaf(x)g(x) (4.9)

Además, la afirmación también es válida para los casos xa-, xa+, x y x-.

Ejemplo 4.1.1.

Vamos a calcular el límite

lı´mx1x-1x2-1=00indeterminación (4.10)
  1. a)

    Por la regla de L’Hôpital

    lı´mx1x-1x2-1=lı´mx1(x-1)(x2-1) (4.11)
    =lı´mx112x (4.12)
    =12 (4.13)
  2. b)

    Por eliminación del factor común

    lı´mx1x-1x2-1=lı´mx1x-1(x-1)(x+1) (4.14)
    =lı´mx11x+1 (4.15)
    =12 (4.16)
Ejemplo 4.1.2.

El límite

lı´mx2x2-4x+4x3-3x2+4 (4.17)

es una indeterminación 0/0 (¡verifique!). Aplicando la regla de L’Hôpital, obtenemos

lı´mx2x2-4x+4x3-3x2+4=lı´mx22x-403x2-6x0, (4.18)

que también es una indeterminación del tipo 0/0. Ahora, aplicando la regla de L’Hôpital nuevamente, obtenemos

lı´mx22x-43x2-6x=lı´mx226x-6=13 (4.19)

Por lo tanto, concluimos que

lı´mx2x2-4x+4x3-3x2+4=13 (4.20)

4.1.2 Indeterminaciones del tipo /

La regla de L’Hôpital también puede usarse para indeterminaciones del tipo /.

Teorema 4.1.2.(Regla de L’Hôpital del tipo /)

Suponga que f y g son funciones derivables en un intervalo abierto que contiene x=a, excepto posiblemente en x=a, y que

lı´mxaf(x)=, (4.21)
lı´mxag(x)= (4.22)

Si, además, lı´mxaf(x)/g(x) existe o es ±, entonces

lı´mxaf(x)g(x)=lı´mxaf(x)g(x) (4.23)

Además, la afirmación también es válida para los casos xa-, xa+, x y x-.

Ejemplo 4.1.3.

Vamos a calcular

lı´mxexx, (4.24)

que es una indeterminación del tipo / (¡verifique!). Entonces, aplicando la regla de L’Hôpital, tenemos

lı´mxexx=lı´mxex1= (4.25)

4.1.3 Crecimiento exponencial

El crecimiento de funciones exponenciales es más rápido que el crecimiento de funciones polinomiales. De hecho, de la regla de L’Hôpital, tenemos

lı´mxexxn=lı´mxexnxn-1 (4.26)
=lı´mxexn(n-1)xn-2 (4.27)
=lı´mxexn(n-1)(n-2)xn-3 (4.28)
= (4.29)
=lı´mxexn!=, (4.30)

para cualquier n. O sea, ex crece más rápido que xn cuando x.

Ejemplo 4.1.4.

Tenemos que

lı´mxexx2= (4.31)

De hecho, aplicando la regla de L’Hôpital dos veces, obtenemos

lı´mxexx2=lı´mxex2x (4.32)
=lı´mxex2= (4.33)

4.1.4 Otras indeterminaciones

Otras indeterminaciones pueden transformarse en indeterminaciones del tipo 0/0 o /.

Ejemplo 4.1.5.(Decrecimiento exponencial)

Tenemos que

lı´mxxne-x (4.34)

es una indeterminación del tipo 0 para cualquier n (¡verifique!). Podemos reescribirla como una indeterminación del tipo /:

lı´mxxne-x=lı´mxxnex (4.35)

Entonces, aplicando la regla de L’Hôpital n veces, obtenemos

lı´mxxne-x=lı´mxxnex (4.36)
=lı´mxnxn-1ex (4.37)
==lı´mxn!ex=0 (4.38)
Ejemplo 4.1.6.(Indeterminación -)

Vamos a calcular

lı´mx0+(1x+lnx), (4.39)

que es una indeterminación del tipo - (¡verifique!). Reescribiendo, tenemos

lı´mx0+(1x+lnx)=lı´mx0+1+xlnxx (4.40)

Podemos mostrar que (consultemos el E.4.1.4)

lı´mx0+xlnx=0 (4.41)

Con esto, concluimos que

lı´mx0+(1x+lnx)=lı´mx0+1+xlnx1x0 (4.42)
= (4.43)

4.1.5 Ejercicios resueltos

ER 4.1.1.

Calcule

lı´mx0-ex-1x2 (4.44)
Resolución.

Observamos que se trata de una indeterminación del tipo 0/0, es decir,

lı´mx0-ex-10x20 (4.45)

Entonces, aplicando la regla de L’Hôpital, tenemos

lı´mx0-ex-1x2=lı´mx0-ex12x0-=- (4.46)
ER 4.1.2.(Indeterminación del tipo 0)

Calcule

lı´mxx51e-x (4.47)
Resolución.

Observamos que

lı´mxx51e-x0=lı´mxx51ex (4.48)

Entonces, aplicando la regla de L’Hôpital sucesivamente, obtenemos

lı´mxx51e-x=lı´mxx51ex (4.49)
=lı´mx51x50ex (4.50)
=lı´mx5150x49ex (4.51)
(4.52)
=lı´mx51!ex=0 (4.53)
ER 4.1.3.(Indeterminación del tipo -)

Calcule

lı´mx0+(1x-1ex-1) (4.54)
Resolución.

Se trata de una indeterminación del tipo -, pues

lı´mx0+(1x-1ex-1) (4.55)

En este caso, calculando la resta, obtenemos

lı´mx0+(1x-1ex-1)=lı´mx0+ex-1+xxex-x, (4.56)

la cual es una indeterminación del tipo 0/0. Aplicando la regla de L’Hôpital, obtenemos

lı´mx0+ex-1-xxex-x=lı´mx0+ex-10(x+1)ex-10 (4.57)
=lı´mx0+ex(x+2)ex (4.58)
=lı´mx0+1x+2=12 (4.59)
ER 4.1.4.(Indeterminación del tipo 1)

Calcule

lı´mx0+(1+x)1/x (4.60)
Resolución.

Se trata de una indeterminación del tipo 1. En tales casos, la siguiente estrategia puede ser útil. En los puntos de continuidad de la función logaritmo natural, tenemos

ln(lı´mx0+(1+x)1/x)=lı´mx0+ln((1+x)1/x) (4.61)
=lı´mx0+ln(1+x)0x0 (4.62)
=lı´mx0+1x+11=1 (4.63)

O sea,

ln(lı´mx0+(1+x)1/x)=1 (4.64)
lı´mx0+(1+x)1/x=e (4.65)

4.1.6 Ejercicios

E. 4.1.1.

Calcule

lı´mx-1x+1x2+3x+2 (4.66)

1

E. 4.1.2.

Use la regla de L’Hôpital para calcular

  1. a)

    lı´mx0sen3xx

  2. b)

    lı´mxπ1+cosxsen(x)

  3. c)

    lı´mx01-cos(x)x2


a)3; b)0; c)12

E. 4.1.3.

Calcule

lı´mxx-51ex (4.67)

E. 4.1.4.

Calcule

lı´mx0+(xlnx) (4.68)

0

E. 4.1.5.

Calcule

lı´mx0+(ex+x)12x (4.69)

e

E. 4.1.6.

Calcule

lı´mx0+(1senx-1x) (4.70)

0


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Pedro H A Konzen
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