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Universidad · Cálculo I
Límites y continuidad · Límites funcionales

Definición, límites laterales y asíntotas

Un sensor mide la temperatura de un horno y su modelo da una fórmula $f(x)$ que no está definida justo en $x=a$. ¿Tiene sentido decir qué valor «debería» tomar $f$ en $a$? ¿Y si la fórmula se dispara hacia infinito, o da saltos? El límite responde a esa pregunta sin evaluar nunca en $a$: describe lo que ocurre cerca de $a$, no en $a$. En este apartado lo hacemos preciso con la definición $\varepsilon$–$\delta$ y lo usamos para describir el comportamiento de una función en los extremos del dominio y en sus puntos conflictivos.

La definición ε–δ

La idea intuitiva es «$f(x)$ se acerca a $L$ cuando $x$ se acerca a $a$». Para que sea un enunciado verificable, se traduce en un juego: alguien fija una tolerancia $\varepsilon$ en la salida y tú debes garantizar esa precisión controlando la entrada con una tolerancia $\delta$.

El «$0<$» excluye $x=a$: el valor $f(a)$, si existe, no interviene. Por eso el límite puede existir aunque $f$ no esté definida en $a$, o aunque $f(a)$ valga otra cosa.

Animación del juego ε–δ: la banda horizontal 2ε alrededor de L se estrecha por pasos y, después de cada paso, la banda vertical 2δ alrededor de a se encoge para seguirla; dentro de la banda vertical la gráfica queda dentro de la horizontal. Al final ambas bandas vuelven a su tamaño inicial a la vez. a L banda 2ε entorno de radio δ

¿Por qué así? «Tan cerca como quieras» se vuelve «para todo $\varepsilon$». «Basta con estar suficientemente cerca de $a$» se vuelve «existe $\delta$». El orden de los cuantificadores importa: $\delta$ depende de $\varepsilon$ (y de $a$), nunca al revés.

Practica★☆☆Sin empezar
Sea $f(x)=2$ si $x\neq1$ y $f(1)=7$. Calcula $\lim_{x\to1}f(x)$ y explica qué papel tiene $f(1)$. La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

Sea $f(x)=2$ si $x\neq1$ y $f(1)=7$. Calcula $\lim_{x\to1}f(x)$ y explica qué papel tiene $f(1)$.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

x y 1 2 7 0
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Practica★☆☆Sin empezar
Demuestra con la definición $\varepsilon$–$\delta$ que $\lim_{x\to2}(3x-1)=5$. Da una elección explícita de $\delta$.

Demuestra con la definición $\varepsilon$–$\delta$ que $\lim_{x\to2}(3x-1)=5$. Da una elección explícita de $\delta$.

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Practica★★☆Sin empezar
Demuestra por definición que $\lim_{x\to1}x^2=1$, dando una elección de $\delta$ válida para todo $\varepsilon>0$.

Demuestra por definición que $\lim_{x\to1}x^2=1$, dando una elección de $\delta$ válida para todo $\varepsilon>0$.

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Límites laterales y no existencia

A veces la función se comporta distinto según te acerques por la izquierda o por la derecha.

Gráfica de una función escalón con límite lateral izquierdo menos uno y derecho uno en el origen, con círculos huecos en el salto. límite izquierdo: −1 límite derecho: 1

Esta es la gráfica de $|x|/x$: vale $-1$ para $x<0$ y $1$ para $x>0$. Los límites laterales existen pero son distintos, así que el límite bilateral no existe.

Otra forma de probar que un límite no existe es con sucesiones: si $x_n\to a$ y $x_n'\to a$ (con $x_n,x_n'\neq a$) pero $f(x_n)$ y $f(x_n')$ tienden a valores distintos, entonces $\lim_{x\to a}f(x)$ no existe. Si existiera, ambas sucesiones de imágenes tendrían que converger al mismo $L$.

Practica★☆☆Sin empezar
Calcula los límites laterales en $0$ de $f(x)=|x|/x$ y decide si existe el límite bilateral.

Calcula los límites laterales en $0$ de $f(x)=|x|/x$ y decide si existe el límite bilateral.

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Practica★★☆Sin empezar
Prueba que $\lim_{x\to0}\sin(1/x)$ no existe mediante dos sucesiones de puntos que tienden a cero.

Prueba que $\lim_{x\to0}\sin(1/x)$ no existe mediante dos sucesiones de puntos que tienden a cero.

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Practica★★☆Sin empezar
Calcula $\lim_{x\to0}x\sin(1/x)$ y justifica por qué la oscilación del seno no impide ese límite. La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

Calcula $\lim_{x\to0}x\sin(1/x)$ y justifica por qué la oscilación del seno no impide ese límite.

La figura ilustra los datos y relaciones del problema.

−0,3 −0,2 −0,1 0,1 0,2 0,3 x 0,3 0,2 0,1 −0,1 −0,2 −0,3 y y = |x| y = −|x| f(x) = x · sen(1/x)
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Límites infinitos y límites en el infinito

Hay dos situaciones nuevas: que $f$ crezca sin cota cerca de un punto, y que queramos saber qué hace $f$ cuando $x$ se hace enorme.

Aquí $M$ y $N$ cumplen el papel de «tan grande como quieras» y reemplazan a $\varepsilon$ o $\delta$ cuando algo se va a infinito.

Gráfica de la función uno partido por x al cuadrado con una cota M horizontal y el entorno perforado de cero donde la gráfica supera esa cota. M entorno perforado
Practica★★☆Sin empezar
Demuestra que $1/x^2\to+\infty$ cuando $x\to0$ usando la definición: para cada $M>0$ encuentra un entorno perforado adecuado.

Demuestra que $1/x^2\to+\infty$ cuando $x\to0$ usando la definición: para cada $M>0$ encuentra un entorno perforado adecuado.

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Practica★★☆Sin empezar
Halla $\lim_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+4x}-x)$ y $\lim_{x\to-\infty}(\sqrt{x^2+4x}+x)$.

Halla $\lim_{x\to+\infty}(\sqrt{x^2+4x}-x)$ y $\lim_{x\to-\infty}(\sqrt{x^2+4x}+x)$.

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Asíntotas

Las asíntotas son las rectas a las que se pega la gráfica en el infinito o junto a un punto conflictivo. Se leen directamente de los límites anteriores.

Gráfica de una función racional con asíntota vertical en uno y asíntota oblicua; las dos ramas de la curva se pegan a la recta vertical y a la recta inclinada. x = a y = mx + n
Practica★☆☆Sin empezar
Halla las asíntotas verticales y horizontales de $f(x)=\frac{2x+1}{x-3}$ y los límites laterales en la asíntota vertical.

Halla las asíntotas verticales y horizontales de $f(x)=\frac{2x+1}{x-3}$ y los límites laterales en la asíntota vertical.

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Practica★★☆Sin empezar
Calcula las asíntotas de $f(x)=\frac{x^2+1}{x-1}$ y especifica la recta oblicua mediante el límite de la diferencia.

Calcula las asíntotas de $f(x)=\frac{x^2+1}{x-1}$ y especifica la recta oblicua mediante el límite de la diferencia.

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Practica★★★Sin empezar
Encuentra todos los $a,b$ para que $f(x)=\frac{ax^2+bx+1}{x-1}$ tenga una discontinuidad evitable en $1$ y asíntota oblicua $y=2x+1$. Justifica si las dos exigencias son…

Encuentra todos los $a,b$ para que $f(x)=\frac{ax^2+bx+1}{x-1}$ tenga una discontinuidad evitable en $1$ y asíntota oblicua $y=2x+1$. Justifica si las dos exigencias son compatibles.

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Técnicas de demostración y propiedades

Cuando $f$ no es lineal, $|f(x)-L|$ lleva factores que dependen de $x$, y hay que acotarlos. La estrategia es acotar primero $\delta\le\delta_0$ para controlar esos factores y después exigir la condición final.

Con $1/x$ el mismo patrón obliga a alejarse de $0$, porque $|1/x-1/a|=\dfrac{|x-a|}{|x||a|}$ y $1/|x|$ no está acotado cerca de $0$: hay que elegir $\delta$ lo bastante pequeño para que $|x|$ quede por encima de $|a|/2$.

Gráfica de una función con límite positivo L en a; una banda alrededor de L de anchura L medios queda por encima del nivel L medios dentro del entorno de a. L L/2 entorno de a
Practica★★★Sin empezar
Prueba directamente que $\lim_{x\to2}1/x=1/2$ e indica por qué debes alejarte de $x=0$ al elegir $\delta$.

Prueba directamente que $\lim_{x\to2}1/x=1/2$ e indica por qué debes alejarte de $x=0$ al elegir $\delta$.

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Practica★★★Sin empezar
Demuestra con la definición de límite que si $f(x)\to L>0$ al tender $x$ a $a$, entonces $f(x)>L/2$ en algún entorno perforado de $a$.

Demuestra con la definición de límite que si $f(x)\to L>0$ al tender $x$ a $a$, entonces $f(x)>L/2$ en algún entorno perforado de $a$.

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Practica★★★Sin empezar
Construye dos funciones sin límite en $0$ cuya suma sí tenga límite, y otras dos sin límite en $0$ cuyo producto sí tenga límite. Justifica tus ejemplos.

Construye dos funciones sin límite en $0$ cuya suma sí tenga límite, y otras dos sin límite en $0$ cuyo producto sí tenga límite. Justifica tus ejemplos.

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Vuelve al principio: el valor que «debería» tomar el modelo del horno en $a$ es el límite, que se define por cercanía y no depende de $f(a)$; si los laterales discrepan o la función se dispara, la respuesta honesta es que no hay límite finito, y eso se traduce en saltos o asíntotas verticales.

Resumen

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