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Cálculo I

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2.5 Límites infinitos

El límite de una función no siempre existe. Sin embargo, en muchos de estos casos, podemos concluir algo más sobre la tendencia de la función. Por ejemplo, decimos que el límite de una función dada f⁢(x) es infinito cuando x tiende a un número x0, si f⁢(x) es arbitrariamente grande para todos los valores de x≠x0 suficientemente próximos de x0. En este caso, escribimos

limx→x0f⁢(x)=∞. (2.226)

La Figura 2.19 es una ilustración de f⁢(x)→∞ cuando x→x0.

Refer to caption
Figura 2.19: f⁢(x)→∞ cuando x→x0.
Ejemplo 2.5.1.

Estudiemos el caso de

limx→01x2. (2.227)

Al tomar x próximo de x0=0, obtenemos los siguientes valores de f⁢(x):

x f⁢(x)
−10−1 102
−10−2 104
−10−3 106
↓ ↓
0 ∞
↑ ↑
10−3 106
10−2 104
10−1 102

Consultemos el gráfico de f⁢(x) en la Figura 2.20.

Refer to caption
Figura 2.20: Gráfico de f⁢(x)=1/x2.

Podemos concluir que los valores de f⁢(x) pueden tomarse arbitrariamente grandes al elegir cualquier x suficientemente próximo de 0, con x≠0. Es decir,

limx→01x2=∞. (2.228)
Código 25: Python
1from sympy import x, Symbol, limit
2x = Symbol("x")
3limit(1/x**2, x, 0)
oo

Definimos los límites laterales infinitos

limx→x0−f⁢(x)=∞ (2.229)

e

limx→x0+f⁢(x)=∞. (2.230)

En el primer caso, los valores de f⁢(x) son arbitrariamente grandes conforme los valores de x→x0 y x<x0. En el segundo caso, los valores de f⁢(x) son arbitrariamente grandes conforme los valores de x→x0 y x>x0.

Ejemplo 2.5.2.
limx→1+1x−1=∞. (2.231)

En efecto, conforme tomamos valores de x próximos de 1, con x>1, los valores de f⁢(x)=1/(x−1) se vuelven cada vez mayores. Consultemos el gráfico de f⁢(x) en la Figura 2.21.

Refer to caption
Figura 2.21: Gráfico de f⁢(x)=1/(x−1).
1from sympy import Symbol, limit
2x = Symbol("x")
3limit(1/(x-1), x, 1, '+')
oo

Análogamente a la definición de límite infinito, decimos que el límite de una función dada f⁢(x) es menos infinito cuando x tiende a x0, cuando f⁢(x) se vuelve arbitrariamente pequeño para valores de x≠x0 suficientemente próximos de x0. En este caso, escribimos

limx→x0f⁢(x)=−∞. (2.232)

De forma similar, definimos los límites laterales f⁢(x)→−∞ cuando x→x0±.

Ejemplo 2.5.3.

Observemos que

∄⁢limx→01x (2.233)

y que no podemos concluir que este límite sea ∞ o −∞. Esto ocurre, pues

limx→0−1x=−∞ (2.234)

e

limx→0+1x=+∞. (2.235)
Ejemplo 2.5.4.
limx→−1−1(x+1)2=−∞. (2.236)

En efecto, podemos inferir este límite a partir del gráfico de la función f⁢(x)=1/(x+1)2. Esta es una traslación de una unidad hacia la izquierda del gráfico de y=1/x2, seguida de una reflexión respecto del eje x. Consultemos la Figura 2.22.

Refer to caption
Figura 2.22: Gráfico de f⁢(x)=−1/(x+1)2.
Código 26: Python
1from sympy import Symbol, limit
2x = Symbol("x")
3limit(-1/(x+1)**2, x, -1)
-oo

2.5.1 Asíntotas verticales

Una recta x=x0 es una asíntota vertical del gráfico de una función y=f⁢(x), si

limx→x0−f⁢(x)=±∞ (2.237)

ou

limx→x0+f⁢(x)=±∞. (2.238)
Ejemplo 2.5.5.

El gráfico de la función f⁢(x)=−1/|x| tiene una asíntota vertical en x=0, pues

limx→0−1|x|=−∞. (2.239)

Consultemos su gráfico en la Figura 2.23.

Refer to caption
Figura 2.23: Gráfico de f⁢(x)=−1/|x|.
Ejemplo 2.5.6.

La función f⁢(x)=x3+2⁢x2−4⁢x−8x2−1 no está definida para valores de x tales que su denominador se anule, es decir,

x2−1=0 (2.240)
x0=−1oux1=1 (2.241)

En estos puntos el gráfico de f puede tener asíntotas verticales. En efecto, tenemos

limx→−1+x3+2⁢x2−4⁢x−8−3x2−10− (2.242)
=+∞, (2.243)
limx→−1−x3+2⁢x2−4⁢x−8−3x2−10+ (2.244)
=−∞, (2.245)

y, además, tenemos

limx→1+x3+2⁢x2−4⁢x−8−9x2−10+ (2.246)
=−∞, (2.247)
limx→1−x3+2⁢x2−4⁢x−8−9x2−10− (2.248)
=+∞. (2.249)

Con ello, tenemos que las rectas x=−1 y x=1 son asíntotas verticales del gráfico de la función f. Consultemos la Figura 2.24 para el esbozo del gráfico de esta función.

Refer to caption
Figura 2.24: Función f⁢(x)=x3+2⁢x2−4⁢x−8x2−1.
Ejemplo 2.5.7.(Función logarítmica)

La función logarítmica natural y=ln⁡x satisface que

limx→0+ln⁡x=−∞ (2.250)

es decir, x=0 es una asíntota vertical del gráfico de ln⁡x. Esto se debe al hecho de que y=ln⁡x es la función inversa de y=ex y esta tiene una asíntota horizontal y=0. La Figura 2.25 es un esbozo del gráfico de la función ln⁡x.

Refer to caption
Figura 2.25: Gráfico de la función logaritmo natural.
Ejemplo 2.5.8.

Las funciones trigonométricas y=tgx y y=sec⁡x tienen asíntotas verticales x=(2⁢k+1)⁢π2 para k entero. Asimismo, las funciones trigonométricas y=cotgx y y=cossec⁡x tienen asíntotas verticales x=k⁢π para k entero. Véase más en Notas de clase: Precálculo: Funciones trigonométricas.

2.5.2 Asíntotas oblicuas

Además de asíntotas horizontales y verticales, los gráficos de funciones pueden tener asíntotas oblicuas. Esto ocurre, en particular, para funciones racionales cuyo grado del numerador es mayor que el del denominador.

Refer to caption
Figura 2.26: Gráfico de la función f⁢(x)=x2−15⁢x−4.
Ejemplo 2.5.9.

Consideremos la función racional

f⁢(x)=x2−15⁢x−4. (2.251)

Para determinar la asíntota oblicua de esta función, dividimos el numerador por el denominador, de manera que obtenemos

f⁢(x)=(x5+425)⏟cociente+−9255⁢x−4⏟resto. (2.252)

Observamos ahora que el resto tiende a cero cuando x→±∞, es decir, f⁢(x)→x5+425 cuando x→±∞. Con ello, concluimos que y=x5+425 es una asíntota oblicua del gráfico de f⁢(x). Consultemos la Figura 2.26.

Observación 2.5.1.

Análogamente a las asíntotas oblicuas, podemos tener otros tipos de asíntotas determinadas por funciones de diversos tipos, por ejemplo, asíntotas cuadráticas.

2.5.3 Límites infinitos en el infinito

Escribimos

limx→∞f⁢(x)=∞, (2.253)

cuando los valores de la función f son arbitrariamente grandes para todos los valores de x suficientemente grandes. De forma análoga, definimos

limx→−∞f⁢(x)=∞, (2.254)
limx→∞f⁢(x)=−∞ (2.255)

e

limx→−∞f⁢(x)=−∞. (2.256)
Ejemplo 2.5.10.

Estudiemos los siguientes casos:

  1. a)

    limx→∞x2=∞

  2. b)

    limx→−∞x2=∞

  3. c)

    limx→−∞x3=−∞

  4. d)

    limx→∞ex=∞

  5. e)

    limx→∞ln⁡x=∞

  6. f)

    limx→−∞e−x=∞

Ejemplo 2.5.11.
limx→∞x3−10⁢x2+300=limx→∞(x3−10⁢x2+300)⋅x3x3 (2.257)
=limx→∞(1−10x0++300x30+)x3=∞. (2.258)
Proposición 2.5.1.(Límites en el infinito de polinomios)

Dado un polinomio

p⁢(x)=an⁢xn+an−1⁢xn−1+⋯+a0, (2.259)

con an≠0, tenemos

limx→±∞p⁢(x)=limx→±an⁢xn. (2.260)
Demostración.

En efecto, tenemos

limx→±∞p⁢(x)=limx→±∞(an⁢xn+an−1⁢xn−1+⋯+a0)⁢xnxn (2.261)
=limx→±∞(an+an−1x0+⋯+a0xn0)xn (2.262)
=limx→±∞anxn. (2.263)

∎

Ejemplo 2.5.12.

Retomando el ejemplo anterior (Ejemplo 2.5.11), tenemos

limx→∞x3−10⁢x2+300=limx→∞x3 (2.264)
=∞. (2.265)

2.5.4 Ejercicios resueltos

ER 2.5.1.

Calcule

limx→1−x−21−x. (2.266)
Resolución.

Tenemos

limx→1−x−2−11−x0+=−∞. (2.267)

Otra forma de calcular este límite es observar que y=1−x→0+ cuando x→1−. Así, haciendo el cambio de variable y=x−1, tenemos

limx→1−x−21−x=limy→0+y+1−2y (2.268)
=limy→0+y−1y (2.269)
=−∞. (2.270)
Código 27: Python
1from sympy import Symbol, limit
2x = Symbol("x")
3limit((x-2)/(1-x), x, 1, '-')
-oo
ER 2.5.2.

Calcule

limx→1ln⁡|x−1|. (2.271)
Resolución.

Comenzamos observando que

ln⁡|x−1|={ln⁡(1−x),x<1,ln⁡(x−1),x>1. (2.272)

Entonces, calculando el límite lateral por la izquierda, tenemos

limx→1−ln⁡|x−1|=limx→1−ln⁡(1−x) (2.273)
=limy→0+lny=−∞. (2.274)

Por otro lado, tenemos

limx→1+ln⁡|x−1|=limx→1+ln⁡(x−1) (2.275)
=limy→0+lny=−∞. (2.276)

Por lo tanto, concluimos que

limx→1ln⁡|x−1|=−∞. (2.277)
1from sympy import Symbol, limit, log, abs
2x = Symbol("x")
3limit(log(abs(x-1)), x, 1, '-')
-oo
Código 28: Python
1limit(log(abs(x-1)), x, 1, '+')
-oo
ER 2.5.3.

Calcule

limx→∞x3+2⁢x2−4⁢x−8x2−1. (2.278)
Resolución.

Tratándose de una función racional, tenemos

limx→∞x3+2⁢x2−4⁢x−8x2−1=limx→∞x3x2 (2.279)
=limx→∞x (2.280)
=∞. (2.281)
ER 2.5.4.

Calcule

limx→∞e1−x2. (2.282)
Resolución.

Observamos que 1−x2→−∞ cuando x→∞. De esta manera, haciendo el cambio de variable y=1−x2, tenemos

limx→∞e1−x2=limy→−∞ey=0. (2.283)
ER 2.5.5.

Calcule

limx→∞1+x22⁢x. (2.284)
Resolución.

Podemos verificar que se trata de una indeterminación del tipo ∞/∞. En este caso, podemos calcular el límite multiplicando (arriba y abajo) por el inverso del factor dominante en el radical, es decir, 1/x2. Es decir, calculamos

limx→∞1+x22⁢x=limx→∞1+x2x⋅1x21x2 (2.285)
=limx→∞1x2+x2x22⁢xx2. (2.286)

Recordemos que x2=|x|. Como x→∞, tenemos x2=|x|=x. Luego,

limx→∞1x2+x2x22⁢xx2=limx→∞1x2+x2x22⁢x|x| (2.287)
=limx→∞1x2+12⁢xx (2.288)
=limx→∞121x2+1 (2.289)
=12limx→∞1x2+1 (2.290)
=12. (2.291)

2.5.5 Ejercicios

E. 2.5.1.

Calcule

  1. a)

    limx→0+x−1

  2. b)

    limx→0−−x−3

  3. c)

    limx→0+x−5

  4. d)

    limx→0±x−n,n>0⁢ímpar


a) ∞; b) ∞; c) ∞; d) ±∞

E. 2.5.2.

Calcule

  1. a)

    limx→0+x−2

  2. b)

    limx→0−x−4

  3. c)

    limx→0+−x−6

  4. d)

    limx→0±x−n,n>0⁢par


a) ∞; b) ∞; c) −∞; d) ∞

E. 2.5.3.

Calcule

  1. a)

    limx→1+1x−1

  2. b)

    limx→1−−2x−1

  3. c)

    limx→−1−−21+x

  4. d)

    limx→−1−2(x+1)2

  5. e)

    limx→−1x2−3⁢x+2x2+2⁢x+1


a) ∞; b) ∞; c) −∞; d) −∞; e) ∞

E. 2.5.4.

Determine las asíntotas verticales del gráfico de la función

f⁢(x)=8x2−4. (2.292)

x=2; x=−2

E. 2.5.5.

Determine las asíntotas verticales del gráfico de la función

f⁢(x)=x+1x2−1. (2.293)

x=1

E. 2.5.6.

Calcule

limx→−∞ex2−1. (2.294)

∞

E. 2.5.7.

Calcule

limx→−∞x3+10⁢x2−300. (2.295)

−∞

E. 2.5.8.

Muestre que y=x2 es una asíntota del gráfico de

f⁢(x)=x3+1x. (2.296)

Sugerencia: observe que f⁢(x)=x2+1x y analice el límite de f⁢(x) cuando x→±∞.

E. 2.5.9.

(Aplicación) En fisicoquímica, la ecuación de Arrhenius222Svante August Arrhenius, 1859 - 1927, químico sueco. Fuente: Wikipedia: Svante Arrhenius. proporciona la tasa de reacción k (entre especies químicas) en función de la temperatura T [K]

k=A⁢e−EaR⁢T, (2.297)

donde A>0 es el factor constante preexponencial, Ea>0 es la energía de activación y R>0 es la constante universal de los gases. Para temperatura constante, la ecuación anterior define la función k=k⁢(Ea). ¿Cuál es la tendencia de la tasa de reacción k cuando T→0+?


k→0 cuando T→0+

E. 2.5.10.

(Aplicación.) La función logística tiene aplicaciones en varias áreas del conocimiento, como por ejemplo en la inteligencia artificial y en el modelado del crecimiento poblacional. Tiene la forma

φ⁢(x)=11+e−x (2.298)

Encuentre la(s) asíntota(s) horizontal(es) de esta función logística.


y=0 y y=1

E. 2.5.11.
E. 2.5.12.

El fenómeno de desintegración espontánea del núcleo de un átomo con emisión de ciertas radiaciones se llama radiactividad. La ley fundamental del decaimiento radiactivo establece que la tasa de decaimiento es proporcional al número de átomos que aún no han decaído. Esto nos proporciona la ecuación de la ley básica de la radiactividad

N=N0⁢e−λ⁢t (2.299)

donde N=N⁢(t) es el número de átomos en el tiempo t, N0≥0 es el número de átomos presentes en el tiempo inicial t=0 y λ>0 es la constante de decaimiento. ¿Cuál es la tendencia de N cuando t→∞?


N⁢(t)→0 cuando t→∞


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Pedro H A Konzen
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