Curso Propedéutico de Cálculo Sesión 2: Límites y Continuidad

Límites y Continuidad Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones Continuidad Definición y Ejemplo
Author:  Arturo Gil Ortíz

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Límites y Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Curso Propedéutico de Cálculo Sesión 2: Límites y Continuidad

Propiedades Discontinuidades

Joaquín Ortega Sánchez Centro de Investigación en Matemáticas, CIMAT Guanajuato, Gto., Mexico

Límites y Continuidad

Esquema

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

1 Límites

Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones 2 Continuidad

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Esquema

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

1 Límites

Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones 2 Continuidad

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

En esta clase repasaremos las nociones de límite y continuidad para una función.

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

La noción de límite para una función es central en el Cálculo. Es la idea que permite formalizar los dos conceptos centrales: derivada e integral de una función. Los nombres asociados al desarrollo de esta noción son los de Bolzano, Cauchy y Weierstrass.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Definición (Límite de una función en un punto) Supongamos que la función f (x) está definida para todos los puntos que están cerca del punto c, es decir f está definida para 0 < |x − c| < α para algún α > 0. Decimos que la función tiende al límite L ∈ R cuando x tiende a c si para cualquier número positivo ε, por pequeño que este sea, es posible encontrar un número positivo δ tal que para todos los valores de x diferentes de c que satisfacen 0 < |x − c| < δ se tiene que |f (x) − L| < ε

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Si L es el límite de la función f cuando x tiende a c, usamos la notación lim f (x) = L x→c

Propiedades Discontinuidades

o también f (x) → L

cuando

x → c.

Si el límite de la función f (x) cuando x → c existe, decimos que la función converge (cuando x → c). En caso contrario decimos que diverge.

Límites y Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplo Veamos que lim (3x + 1) = 7. x→2

Demostración. Supongamos que ε > 0 está dado, queremos hallar un valor de δ tal que si x está a una distancia menor que δ de 2, entonces |f (x) − 7| = |3x + 1 − 7| = |3x − 6| < ε Para que esta desigualdad se satisfaga es necesario que 3|x − 2| < ε y para esto basta que |x − 2| < ε/3. Por lo tanto si tomamos δ = ε/3 tenemos que |x − 2| < δ ⇒ |f (x) − 7| < ε

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades

Ejemplo

Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Como segundo ejemplo vamos a calcular el límite de la función x2 − 4 f (x) = x −2 en x = 2. Observamos que la función no está definida en este punto. Demostraremos que este límite vale 4. Tenemos que demostrar que, para cualquier valor de ε, sin importar lo pequeño que sea, podemos hallar un valor de δ tal que se cumple la desigualdad x2 − 4 − 4 < ε x −2 siempre que |x − 2| < ε.

(1)

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos

(x^2−4)/(x−2)

Propiedades

6

Límite infinito Límites Laterales

5

Indeterminaciones



3

f(x)

Definición y Ejemplos

4

Continuidad

1 0

Discontinuidades

2

Propiedades

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

x

Para hallar el límite en x = 2 no necesitamos considerar la función en este punto, basta con considerar los valores en los puntos cercanos a x = 2. Por lo tanto, si x 6= 2, la fracción que define la función se puede simplificar y la condición (1) se puede escribir |(x + 2) − 4| = |x − 2| < ε.

(2)

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Definición (Límite de una función en infinito) Decimos que la función f tiende al límite L ∈ R cuando x → +∞ si para cualquier número positivo ε, por pequeño que este sea, es posible encontrar un número positivo K tal que para todos los valores de x que satisfacen x > K se tiene que |f (x) − L| < ε Usamos la notación lim f (x) = L

x→∞

o también f (x) → L cuando x → +∞. De manera análoga se define limx→−∞ f (x) = L.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplo Veamos que 1 = 0. x→∞ x lim

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

1.0

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad

0.8

Definición y Ejemplos Propiedades

0.0

0.2

0.4

1/x

0.6

Discontinuidades

2

4

6 x

8

10

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

1.0

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad

0.8

Definición y Ejemplos Propiedades

0.0

0.2

0.4

1/x

0.6

Discontinuidades

0

20

40

60 x

80

100

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

1.0

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad

0.8

Definición y Ejemplos Propiedades

0.0

0.2

0.4

1/x

0.6

Discontinuidades

0

200

400

600 x

800

1000

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Ejemplo

Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Veamos que 1 = 0. x Para ver esto sea ε > 0 dado, queremos ver que se cumple la desigualdad 1 (3) < ε, x siempre que |x| > K , donde el valor de K puede depender de ε. La desigualdad (3) se satisface siempre que |x| > 1/ε = K . lim

x→∞

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Principales propiedades de los límites: Supongamos que limx→c f (x) = K , limx→c g(x) = L, donde K , L ∈ R. 1

El límite, si existe, es único.

2

El límite de la suma de dos funciones es la suma de los límites:

Propiedades Discontinuidades

lim (f (x) + g(x)) = lim f (x) + lim g(x) = K + L.

x→c 3

x→c

x→c

El límite de la diferencia entre dos funciones es la diferencia de los límites: lim (f (x) − g(x)) = lim f (x) − lim g(x) = K − L.

x→c

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Principales propiedades de los límites: Supongamos que limx→c f (x) = K , limx→c g(x) = L, donde K , L ∈ R. 1

El límite, si existe, es único.

2

El límite de la suma de dos funciones es la suma de los límites:

Propiedades Discontinuidades

lim (f (x) + g(x)) = lim f (x) + lim g(x) = K + L.

x→c 3

x→c

x→c

El límite de la diferencia entre dos funciones es la diferencia de los límites: lim (f (x) − g(x)) = lim f (x) − lim g(x) = K − L.

x→c

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Principales propiedades de los límites: Supongamos que limx→c f (x) = K , limx→c g(x) = L, donde K , L ∈ R. 1

El límite, si existe, es único.

2

El límite de la suma de dos funciones es la suma de los límites:

Propiedades Discontinuidades

lim (f (x) + g(x)) = lim f (x) + lim g(x) = K + L.

x→c 3

x→c

x→c

El límite de la diferencia entre dos funciones es la diferencia de los límites: lim (f (x) − g(x)) = lim f (x) − lim g(x) = K − L.

x→c

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Principales propiedades de los límites: Supongamos que limx→c f (x) = K , limx→c g(x) = L, donde K , L ∈ R. 1

El límite, si existe, es único.

2

El límite de la suma de dos funciones es la suma de los límites:

Propiedades Discontinuidades

lim (f (x) + g(x)) = lim f (x) + lim g(x) = K + L.

x→c 3

x→c

x→c

El límite de la diferencia entre dos funciones es la diferencia de los límites: lim (f (x) − g(x)) = lim f (x) − lim g(x) = K − L.

x→c

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

4

Continuidad Definición y Ejemplos

El límite del producto de dos funciones es el producto de los límites:

Propiedades

lim (f (x)g(x)) = ( lim f (x))( lim g(x)) = KL.

Discontinuidades

x→c 5

x→c

x→c

El límite del cociente entre dos funciones es el cociente de los límites si el límite del denominador es distintos de 0: f (x) limx→c f (x) K lim = = , x→c g(x) limx→c g(x) L si L 6= 0.

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

4

Continuidad Definición y Ejemplos

El límite del producto de dos funciones es el producto de los límites:

Propiedades

lim (f (x)g(x)) = ( lim f (x))( lim g(x)) = KL.

Discontinuidades

x→c 5

x→c

x→c

El límite del cociente entre dos funciones es el cociente de los límites si el límite del denominador es distintos de 0: f (x) limx→c f (x) K lim = = , x→c g(x) limx→c g(x) L si L 6= 0.

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

6

Indeterminaciones

Si f (x) ≤ g(x) para los valores de x cerca del punto c (para |x − c| < ε para algún ε > 0) entonces

Continuidad Definición y Ejemplos

lim f (x) = K ≤ L = lim g(x).

Propiedades

x→c

Discontinuidades

7

x→c

Si f (x) ≤ g(x) ≤ h(x) para todo x cerca de c y se tiene que lim f (x) = lim h(x) = L x→c

x→c

entonces lim g(x) = L

x→c 8

lim f (x)

x→c

g(x)

= ( lim f (x))(limx→c g(x)) = K L x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

6

Indeterminaciones

Si f (x) ≤ g(x) para los valores de x cerca del punto c (para |x − c| < ε para algún ε > 0) entonces

Continuidad Definición y Ejemplos

lim f (x) = K ≤ L = lim g(x).

Propiedades

x→c

Discontinuidades

7

x→c

Si f (x) ≤ g(x) ≤ h(x) para todo x cerca de c y se tiene que lim f (x) = lim h(x) = L x→c

x→c

entonces lim g(x) = L

x→c 8

lim f (x)

x→c

g(x)

= ( lim f (x))(limx→c g(x)) = K L x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

6

Indeterminaciones

Si f (x) ≤ g(x) para los valores de x cerca del punto c (para |x − c| < ε para algún ε > 0) entonces

Continuidad Definición y Ejemplos

lim f (x) = K ≤ L = lim g(x).

Propiedades

x→c

Discontinuidades

7

x→c

Si f (x) ≤ g(x) ≤ h(x) para todo x cerca de c y se tiene que lim f (x) = lim h(x) = L x→c

x→c

entonces lim g(x) = L

x→c 8

lim f (x)

x→c

g(x)

= ( lim f (x))(limx→c g(x)) = K L x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

9 10

Discontinuidades

  lim log f (x) = log lim f (x) = log K .

x→c

x→c

Si f (x) es una función constante igual a a entonces para cualquier c en el dominio de la función lim f (x) = a

x→c 11

Si limx→c f (x) = L y a ∈ R entonces lim af (x) = a lim f (x) = aL.

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

9 10

Discontinuidades

  lim log f (x) = log lim f (x) = log K .

x→c

x→c

Si f (x) es una función constante igual a a entonces para cualquier c en el dominio de la función lim f (x) = a

x→c 11

Si limx→c f (x) = L y a ∈ R entonces lim af (x) = a lim f (x) = aL.

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

9 10

Discontinuidades

  lim log f (x) = log lim f (x) = log K .

x→c

x→c

Si f (x) es una función constante igual a a entonces para cualquier c en el dominio de la función lim f (x) = a

x→c 11

Si limx→c f (x) = L y a ∈ R entonces lim af (x) = a lim f (x) = aL.

x→c

x→c

Límites y Continuidad

Límites

Límites Propiedades

Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Las propiedades anteriores también son válidas si en lugar de considerar límites cuando x → c consideramos límites cuando x → +∞ o cuando x → −∞.

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Ejemplo Hallar el límite cuando x → 0 de la función

Continuidad Definición y Ejemplos

f (x) = (3x 2 + 2x 3 + x 16 )/(x 2 )

Propiedades Discontinuidades

Tenemos que 3x 2 + 2x 3 + x 16 3x 2 2x 3 x 16 = + 2 + 2 = 3 + 2x + x 14 . x2 x2 x x Tomando ahora límite cuando x → 0 tenemos que lim f (x) = lim 3 + lim 2x + lim x 14 = 3.

x→0

x→0

x→0

x→0

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Ejemplo Veamos que

Propiedades Discontinuidades

 x +1 1 = lim 1 + = 1. x→∞ x→∞ x x lim

Usando las propiedades de límites y el resultado de un ejercicio anterior tenemos lim

x→∞



1+

1 1 = 1 + lim = 1. x→∞ x x

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

Ejemplo

Límites Laterales Indeterminaciones

Hallar

Continuidad

3x 3 + 2x 2 − 6 x→∞ 2x 3 lim

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Usando las propiedades de límites tenemos 3x 3 2x 2 6 3x 3 + 2x 2 − 6 = lim + lim − lim 3 3 3 x→∞ x→∞ x→∞ x→∞ 2x 2x 2x 2x 3 1 3 3 = + lim − lim 2 x→∞ x x→∞ x 3 3 = 2 lim

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplo Hallar

3x 3 + 2x 2 − 6 x→∞ 2x 4 + 3x lim

Para hallar el límite de esta función racional buscamos el mayor exponente en todos los términos presentes en numerador y denominador. En este caso el mayor exponente es 4 y dividimos tanto numerador como denominador por x 4 : 3x 3 + 2x 2 − 6 (3x 3 /x 4 ) + (2x 2 /x 4 ) − (6/x 4 ) = 2x 4 + 3x (2x 4 /x 4 ) + (3x/x 4 ) (3/x) + (2/x 2 ) − (6/x 4 ) = 2 + (3/x 3 )

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Ejemplo Ahora usamos las propiedades de límites que vimos

Propiedades Discontinuidades

3x 3 + 2x 2 − 6 (3/x) + (2/x 2 ) − (6/x 4 ) = lim x→∞ x→∞ 2x 4 + 3x 2 + (3/x 3 ) limx→∞ (3/x) + limx→∞ (2/x 2 ) − limx→∞ (6/x 4 ) = 2 + limx→∞ (3/x 3 ) 0 = = 0. 2 lim

Límites y Continuidad

Límites Límite infinito

Límites Definición y Ejemplos Propiedades

Extensión de la noción de límite: límites infinitos.

Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Definición (Límite infinito de una función en un punto) Supongamos que la función f (x) está definida para todos los puntos que están cerca del punto c, es decir f está definida para 0 < |x − c| < α para algún α > 0. Decimos que la función tiende a ∞ cuando x tiende a c si para cualquier número positivo M, por grande que este sea, es posible encontrar un número positivo δ tal que para todos los valores de x diferentes de c que satisfacen 0 < |x − c| < δ se tiene que |f (x)| > M

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplo Veamos que 1 =∞ x→0 x lim

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

10

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

−5 −10

1/x

Discontinuidades

0

5

Propiedades

−2

−1

0 x

1

2

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

100

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

−50 −100

1/x

Discontinuidades

0

50

Propiedades

−1.0

−0.5

0.0 x

0.5

1.0

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

1000

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad

−500

1/x

Discontinuidades

−1000

Propiedades

0

500

Definición y Ejemplos

−0.2

−0.1

0.0 x

0.1

0.2

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Ejemplo

Indeterminaciones

Continuidad

Veamos que

Definición y Ejemplos

lim

Propiedades

x→0

Discontinuidades

1 =∞ x

En efecto, para cualquier M > 0 tenemos que 1 >M x siempre que |x| = |x − 0| <

1 =δ M

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Si la función f (x) tiende a infinito tomando sólo valores positivos escribimos

Propiedades Discontinuidades

lim f (x) = +∞

x→c

Si en cambio lo hace tomando sólo valores negativos escribimos lim f (x) = −∞ x→c

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Ejemplo Veamos que 1 = +∞ x→1 (1 − x)2

Indeterminaciones

lim

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

6000 4000 2000 0

f(x)

8000 10000

Discontinuidades

0.6

0.8

1.0 x

1.2

1.4

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Ejemplo Para cualquier M > 0 tenemos que

Propiedades

1 >M (1 − x)2

Discontinuidades

siempre que (1 − x)2 <

1 , M

1 |1 − x| < √ = δ. M

La función f (x) = 1/(1 − x)2 sólo toma valores positivos, por lo que el límite es +∞.

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Ejemplos de funciones que no tienen límite. La función f (x) = sen(x) no tiene límite cuando x → ∞.

Propiedades Discontinuidades

0.0 0.5 1.0 −1.0

sen(t)

La función seno

−20

−10

0 t

10

20

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplos de funciones que no tienen límite. La función f (x) = sen(1/x) está definida para todos los valores de x excepto para x = 0 y no tiene límite cuando x → 0. 0.0 0.5 1.0

Indeterminaciones

sin(1/x)

Límites Laterales

−1.0

Límite infinito

−1.0

−0.5

0.0 x

0.5

1.0

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos

Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplos de funciones que no tienen límite. Un tercer ejemplo, de naturaleza distinta, es la siguiente función definida a trozos: ( x 2 si x ≤ 2, f (x) = 5 si x > 2.

f(x)

Límite infinito

0 1 2 3 4 5 6

Propiedades

● ●

−2

0

2

4

x En este caso el comportamiento de la función en x = 2 depende de si nos acercamos a este punto por la derecha o por la izquierda.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Ejemplos

Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

Si nos acercamos por la derecha, la función toma el valor constante 5 y por lo tanto el valor del límite debería ser 5

Discontinuidades

En cambio, si nos acercamos por la inquiera, el valor de la función es x 2 , que tiende a 4 cuando x se acerca a 2 (por la izquierda). Como estos dos valores son distintos el límite no existe en el punto x = 2.

Límites y Continuidad

Límites Límites laterales

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

El ejemplo anterior sugiera la definición de los límites laterales

Definición Decimos que el límite de la función f (x) cuando x tiende a c por la izquierda es L si y sólo si para todo ε > 0 existe δ > 0 tal que si x ∈ (c − δ, c) entonces |f (x) − L| < ε. En este caso usamos la notación limx→c − f (x) = L. Decimos que el límite de la función f (x) cuando x tiende a c por la derecha es L si y sólo si para todo ε > 0 existe δ > 0 tal que si x ∈ (c, c + δ) entonces |f (x) − L| < ε. En este caso usamos la notación limx→c + f (x) = L.

Límites y Continuidad

Límites Límites laterales

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

En el ejemplo anterior tenemos

Indeterminaciones

lim f (x) = 4;

Continuidad Definición y Ejemplos

x→2−

lim f (x) = 5.

x→2+

Propiedades Discontinuidades

Esto sugiere el siguiente el siguiente resultado, que es cierto pero demostraremos en este curso.

Teorema La función f tiene límite L en c si y sólo si los límites laterales lim f (x) y lim+ f (x) x→c −

ambos existen y son iguales a L.

x→c

Límites y Continuidad

Límites Indeterminaciones

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Cuando las propiedades de los límites que consideramos anteriormente no nos permiten calcular un límite decimos que hay una indeterminación. Usando notación simbólica las indeterminaciones son ∞ − ∞,

0 · ∞,

0 , 0

∞ , ∞

00 ,

∞0 ,

1∞

En estos casos no es posible saber a priori cual es el valor del límite y hay que usar otros métodos para resolver la indeterminación.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Ejemplo Si consideramos los límites de las funciones

Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

x ; x2

x ; x

x2 x

Discontinuidades

cuando x → 0, obtenemos la indeterminación 0/0 en todos los casos; sin embargo x 1 = lim = ∞ 2 x→0 x x→0 x x lim = 1 x→0 x x2 lim = lim x = 0 x→0 x x→0 lim

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

Ejemplo

Límites Laterales Indeterminaciones

x 3 − 27 0 = 2 0 x→0 x − 9

Continuidad

lim

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Esta indeterminación se resuelve factorizando los polinomios: (x − 3)(x 2 + 3x + 9) x 3 − 27 = lim (x − 3)(x + 3) x→0 x→0 x 2 − 9 2 x + 3x + 9 = lim x +3 x→0 27 9 = = 6 2 lim

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Las indeterminaciones de tipo ∞/∞ causadas por el cociente de polinomios se resuelven dividiendo numerador y denominador por la potencia mayor de la variable. En estos casos se obtiene   si m > n, 0 an x n + · · · + a1 + a0 a n = bm lim si n = m, x→±∞ bm x m + · · · + b1 x + b0   ±∞ si m < n.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Las indeterminaciones de tipo 0/0 o ±∞/ ± ∞ pueden resolverse usando la regla de L’Hôpital, que requiere el uso de derivadas. Las indeterminaciones 00 , (±∞)0 , 1±∞ se pueden transformar a una del tipo 0 · (±∞) tomando logaritmos.

Límites y Continuidad

Límites

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

En ocasiones algunas de las indeterminaciones se pueden resolver usando los llamados infinitésimos equivalentes, que son funciones cuyo límite vale 0 y que se pueden sustituir una por otra si están multiplicando o dividiendo dentro de un límite sin que éste se modifique. Algunos ejemplos cuando f (x) → 0: sen f (x) ≈ f (x)

tan f (x) ≈ f (x)

log(1 + f (x)) ≈ f (x)

ef (x) − 1 ≈ f (x)

1 − cos f (x) ≈

(f (x))2 2

Límites y Continuidad

Límites Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Ejemplo

Propiedades Discontinuidades

lim

x→0

sen(3x) 3 sen(3x) = lim = 3. x 3x x→0

(cos x − 1)2 (−x 2 /2)2 x4 = lim = lim = 0. x→0 x→0 x→0 4x 2 x2 tan2 x lim

Límites y Continuidad

Esquema

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

1 Límites

Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones 2 Continuidad

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades

La noción intuitiva de continuidad para una función a valores reales es que su gráfica puede trazarse sin levantar el lápiz del papel.

Discontinuidades

Para formalizar esta noción necesitamos el concepto de límite que estudiamos en la sección anterior. Muchas de las propiedades de las funciones continuas son consecuencia de las propiedades de límites.

Límites y Continuidad

Continuidad Definición

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Definición Sea f una función definida en el intervalo (a, b) y sea c un punto de (a, b). Decimos que la función f es continua en c si 1

Existe lim f (x), y

2

f (c) = lim f (x).

x→c

x→c

Equivalentemente, lim f (c + h) = f (c). h→0

Límites y Continuidad

Continuidad Definición

Límites Definición y Ejemplos

Una definición alternativa para la continuidad es la siguiente

Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Definición Sea f una función definida en el intervalo (a, b) y sea c un punto de (a, b). Decimos que la función f es continua en c si dado cualquier valor ε > 0 podemos encontrar un δ > 0 tal que si |x − c| < δ se tiene que |f (x) − f (c)| < ε.

Límites y Continuidad

Continuidad Ejemplos

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Ejemplo La función f (x) = x 2 es continua en cualquier punto c ∈ R. Sea h cualquiera, tenemos que f (c + h) = (c + h)2 = c 2 + 2ch + h2 Por lo tanto lim f (c + h) = lim (c 2 + 2ch + h2 ) = c 2 = f (c)

h→0

h→0

de modo que la función es continua en c.

Límites y Continuidad

Continuidad

Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

( x2 f (x) = 4

si x ≤ 2, si x > 2.

f(x)

Definición y Ejemplos

Continuidad

0 1 2 3 4 5 6

Límites



−2

Definición y Ejemplos

0

Discontinuidades

2

4

x

Propiedades

En este caso la función está definida a trozos y para ver la continuidad en x = 2 tenemos que calcular los límites laterales y ver si coinciden entre sí y si coinciden con el valor de la función en x = 2, que es 4. lim f (x) = lim x 2 = 4

x→2−

x→2−

lim f (x) = lim+ 4 = 4

x→2+

x→2

de modo que la función es continua en x = 2.

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Propiedades de las funciones continuas:

Indeterminaciones

Continuidad

1

Si la función f es continua en c y a ∈ R, la función a · f (x) también es continua en c.

2

Si las funciones f y g son continuas en el punto c entonces su suma, su diferencia y su producto también son continuas en c.

3

Si las funciones f y g son continuas en c y g(c) 6= 0 entonces la función f /g también es continua en c.

4

Si la función f es continua en c y la función g es continua en d = f (c), la función compuesta (g ◦ f )(x) = g(f (x)) es continua en el punto c.

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Propiedades de las funciones continuas:

Indeterminaciones

Continuidad

1

Si la función f es continua en c y a ∈ R, la función a · f (x) también es continua en c.

2

Si las funciones f y g son continuas en el punto c entonces su suma, su diferencia y su producto también son continuas en c.

3

Si las funciones f y g son continuas en c y g(c) 6= 0 entonces la función f /g también es continua en c.

4

Si la función f es continua en c y la función g es continua en d = f (c), la función compuesta (g ◦ f )(x) = g(f (x)) es continua en el punto c.

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Propiedades de las funciones continuas:

Indeterminaciones

Continuidad

1

Si la función f es continua en c y a ∈ R, la función a · f (x) también es continua en c.

2

Si las funciones f y g son continuas en el punto c entonces su suma, su diferencia y su producto también son continuas en c.

3

Si las funciones f y g son continuas en c y g(c) 6= 0 entonces la función f /g también es continua en c.

4

Si la función f es continua en c y la función g es continua en d = f (c), la función compuesta (g ◦ f )(x) = g(f (x)) es continua en el punto c.

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales

Propiedades de las funciones continuas:

Indeterminaciones

Continuidad

1

Si la función f es continua en c y a ∈ R, la función a · f (x) también es continua en c.

2

Si las funciones f y g son continuas en el punto c entonces su suma, su diferencia y su producto también son continuas en c.

3

Si las funciones f y g son continuas en c y g(c) 6= 0 entonces la función f /g también es continua en c.

4

Si la función f es continua en c y la función g es continua en d = f (c), la función compuesta (g ◦ f )(x) = g(f (x)) es continua en el punto c.

Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Las funciones polinómicas, racionales, con radicales, exponenciales, logarítmicas y trigonométricas son continuas en todos los puntos de su dominio. Si una función f es continua en todos los puntos de su dominio D, decimos simplemente que es continua. Si el dominio de la función es un intervalo cerrado I = [a, b], decimos que la función es continua si es continua en el sentido usual en el intervalo (a, b) y en los extremos la función es continua cuando consideramos los límites laterales apropiados: f (a) = lim+ f (x), x→a

f (b) = lim f (x). x→b−

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

5

Si la función f (x) es continua en el intervalo [a, b], siempre existe al menos un punto x1 ∈ [a, b] tal que para todo x ∈ [a, b] se satisface la desigualdad

Propiedades

f (x1 ) ≥ f (x).

Discontinuidades

También existe siempre un punto x2 ∈ [a, b] tal que para todo x ∈ [a, b] se satisface la desigualdad f (x2 ) ≤ f (x). Resumiendo se tiene que f (x2 ) ≤ f (x) ≤ f (x1 )

Límites y Continuidad

Continuidad Propiedades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

El valor de f (x1 ) = M se conoce como el máximo del a función mientras que el valor de f (x2 ) = m se conoce como el mínimo.

Continuidad

1.0

M

0.0

Discontinuidades

El resultado (teorema) anterior se puede enunciar diciendo que una función continua f en [a, b] alcanza al menos una vez su máximo y su mínimo.

f(x)

Propiedades

−1.0

Definición y Ejemplos

m −6

−4

−2

0 x

2

4

6

Límites y Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Continuidad 6

Sea f (x) una función continua definida sobre el intervalo [a, b]. Si la función toma valores f (a) = A, f (b) = B en los extremos del intervalo y los valores A y B son distintos, dado cualquier valor C entre A y B, siempre existe al menos un punto c tal que

Propiedades Discontinuidades

A

−2

f(x)

2

4

6

f (c) = C

C

−6

B c −2

−1

0 x

1

2

Límites y Continuidad

Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

El resultado anterior se conoce como el Teorema del Valor Intermedio, y se debe al matemático checo Bernard Bolzano

Propiedades Discontinuidades

Si en el resultado anterior tenemos que A y B tienen signos distintos, tomando C = 0 vemos que existe al menos un punto c ∈ [a, b] donde la función se anula. Si la función f (x) es continua en el intervalo [a, b] sabemos por la propiedad 5 que alcanza su máximo y su mínimo. La propiedad 6 nos dice que la función toma todos los valores intermedios.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Si la función f no es continua en un punto c decimos que la función f es discontinua en c.

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Hay varias razones por las cuales una función f puede ser discontinua en un punto c: 1

Existe lim f (x) pero o bien la función toma un valor x→c

distinto al límite en este punto, o bien no está definida en c. 2

No existe lim f (x) x→c

En el primer caso decimos que la discontinuidad es evitable, pues es posjble redefinir el valor de la función en el punto c para hacer que la función sea continua.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Si la función f no es continua en un punto c decimos que la función f es discontinua en c.

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Hay varias razones por las cuales una función f puede ser discontinua en un punto c: 1

Existe lim f (x) pero o bien la función toma un valor x→c

distinto al límite en este punto, o bien no está definida en c. 2

No existe lim f (x) x→c

En el primer caso decimos que la discontinuidad es evitable, pues es posjble redefinir el valor de la función en el punto c para hacer que la función sea continua.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Si la función f no es continua en un punto c decimos que la función f es discontinua en c.

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Hay varias razones por las cuales una función f puede ser discontinua en un punto c: 1

Existe lim f (x) pero o bien la función toma un valor x→c

distinto al límite en este punto, o bien no está definida en c. 2

No existe lim f (x) x→c

En el primer caso decimos que la discontinuidad es evitable, pues es posjble redefinir el valor de la función en el punto c para hacer que la función sea continua.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Si la función f no es continua en un punto c decimos que la función f es discontinua en c.

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

Hay varias razones por las cuales una función f puede ser discontinua en un punto c: 1

Existe lim f (x) pero o bien la función toma un valor x→c

distinto al límite en este punto, o bien no está definida en c. 2

No existe lim f (x) x→c

En el primer caso decimos que la discontinuidad es evitable, pues es posjble redefinir el valor de la función en el punto c para hacer que la función sea continua.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Ejemplo La función f (x) =

Continuidad Definición y Ejemplos Propiedades Discontinuidades

x2 − 4 x −2

no está definida en x = 2, pero vimos anteriormente que el límite en este punto existe y lim f (x) = 4.

x→2

Por lo tanto, si redefinimos la función de la siguiente manera ( 2 x −4 si x 6= 2 f (x) = x−2 4 si x = 2. la función es continua.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Cuando no existe el límite de la función f en el punto c, hay dos situaciones posibles.

Propiedades Discontinuidades

1

Los limites laterales de la función f existen en el punto c pero no coinciden. En este caso decimos que la discontinuidad es de primer tipo o de primera especie.

2

Alguno (o ambos) de los límites laterales no existe. En este caso decimos que la discontinuidad es de segundo tipo o de segunda especie.

Veamos ejemplos de ambos casos.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Cuando no existe el límite de la función f en el punto c, hay dos situaciones posibles.

Propiedades Discontinuidades

1

Los limites laterales de la función f existen en el punto c pero no coinciden. En este caso decimos que la discontinuidad es de primer tipo o de primera especie.

2

Alguno (o ambos) de los límites laterales no existe. En este caso decimos que la discontinuidad es de segundo tipo o de segunda especie.

Veamos ejemplos de ambos casos.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Cuando no existe el límite de la función f en el punto c, hay dos situaciones posibles.

Propiedades Discontinuidades

1

Los limites laterales de la función f existen en el punto c pero no coinciden. En este caso decimos que la discontinuidad es de primer tipo o de primera especie.

2

Alguno (o ambos) de los límites laterales no existe. En este caso decimos que la discontinuidad es de segundo tipo o de segunda especie.

Veamos ejemplos de ambos casos.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

Cuando no existe el límite de la función f en el punto c, hay dos situaciones posibles.

Propiedades Discontinuidades

1

Los limites laterales de la función f existen en el punto c pero no coinciden. En este caso decimos que la discontinuidad es de primer tipo o de primera especie.

2

Alguno (o ambos) de los límites laterales no existe. En este caso decimos que la discontinuidad es de segundo tipo o de segunda especie.

Veamos ejemplos de ambos casos.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad Definición y Ejemplos

La función f definida en el intervalo [0, 4] por ( x + 3 si 0 ≤ x ≤ 2 f (x) = x2 si 2 < x ≤ 4.

Propiedades Discontinuidades

Es continua en todo su dominio salvo en el punto x = 2 porque si calculamos los límites laterales obtenemos lim f (x) = lim x + 3 = 5

x→2−

x→2−

lim f (x) = lim+ x 2 = 4

x→2+

x→2

y como los límites existen pero son distintos, la discontinuidad es de primera especie.

Límites y Continuidad

Continuidad Discontinuidades

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito Límites Laterales Indeterminaciones

Continuidad

La función f (x) = sen(1/x) definida para x 6= 0 es continua en todo su dominio. Si buscamos los límites laterales de la función en 0 vemos que no existen.

Definición y Ejemplos Propiedades

0.0 0.5 1.0 −1.0

sin(1/x)

Discontinuidades

−1.0

−0.5

0.0

0.5

x

Por lo tanto la discontinuidad es de segunda especie

1.0

Límites y Continuidad

Límites Definición y Ejemplos Propiedades Límite infinito

Continuidad Discontinuidades

La función f (x) = (1/(x − 2)2 ) definida salvo en x = 2 también tiene una discontinuidad de segundo tipo pues

Límites Laterales Indeterminaciones

lim f (x) = lim+ f (x) = +∞

x→2−

Continuidad

x→2

Definición y Ejemplos Propiedades

1500 1000 500 0

f(x)

2000

2500

Discontinuidades

1.0

1.5

2.0 x

2.5

3.0

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