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miércoles, 17 de mayo de 2017

Definición informal y formal de límites

En este post estaremos abordando las definiciones básicas con las que hay que trabajar para poder dar soluciones a ejercicios que involucren límites.

Definición informal de límites
Debemos decir que el límite de una función en un punto definido existe, cuando nos acercamos a este punto por la derecha y por la izquierda tan próximo como sea posible y por ambos lados la función se acerca o tiende a un mismo valor es decir si queremos comprobar la existencia del límite de la función cuando x tiende o se acerca a 2.
funcion-matemática
A simple vista podemos observar que f(x) no está definida en x=2 ya que se produce la indeterminación 0/0, pero esto no quiere decir que la función aun así no tenga límite cuando x tiende a 2, si nos acercamos a 2 tanto por la izquierda como por la derecha, es decir tomando por la izquierda valores muy próximo a 2 pero menores a 2 y tomando por la derecha valores muy próximo a 2 pero ligeramente mayores que 2, como muestra la siguiente tabla de doble entrada.
tabla de valores de una funcion
Es más que evidente que en la medida que x se aproxima por la izquierda y por la derecha a 2, en esa medida también converge o se aproxima f(x) a 12, por lo que podemos concluir que el límite de esta función cuando x tiende a 2 es 12, simbólicamente lo expresamos así.

Lo que nos lleva a concluir intuitivamente la definición informal de límites.

Si una variable independiente x se acerca o tiende a un valor c, tanto por la izquierda como por la derecha y en ese mismo orden la función f(x) tiende, se aproxima o converge a un valor L, entonces L representa ese límite.
Limite de f(x) cuando x tiende a c

Veamos un ejercicio de aplicación de la definición informal de límites.
Limite-de-una-funcion
Solución:
Como se puede observar esta función no está definida en x=0, ya que da como resultado una indeterminación ya que resulta 0/0, pero esto no significa que no exista un límite L, cuando nos acercamos por la izquierda o por la derecha a 0. Así que evaluaremos la función en diferentes valores de x en la vecindad o proximidad de x=0.
evaluación de la existencia de un limite con el método informal
Y los datos tabulados se ven así

Lo que nos lleva a concluir de una manera informal que el límite de la función analizada cuando x tiende a cero es uno.
Limite de una funcion

Definición formal de límites
Si f es una función definida en un intervalo abierto donde c está dentro de dicho intervalo y f posiblemente no esté definida en c y sea L un número real, Podemos decir que:

Si se cumple que para todo \(\varepsilon>0\) existe \(\delta >0\) tal que si \(0<\left |x-c\right |<\delta\) entonces \(\left |f\left(x\right)-L\right |<\varepsilon\)

A esta definición también se le conoce como epsilon-delta (\(\varepsilon-\delta\)).
La desigualdad \(0<\left |x-c\right |\) quiere decir que la distancia de un punto x a c es mayor que 0, y la segunda desigualdad \(\left |x-c\right |<\delta\) significa que x está a una distancia de c menor que \(\delta\).
Mientras que \(\left |f\left(x\right)-L\right |<\varepsilon\) significa que \(f\left(x\right)\) está dentro del intervalo \(\left(L-\varepsilon,L+\varepsilon\right)\), minetras que \(c\) se encuentra dentro del intervalo \(\left(c-\delta,c+\delta\right)\), gráficamente se ve así.
grafico de epsilon delta
Esta definición al igual que otras definiciones se entiende mucho mas fácil cuando la aplicamos a la resolución de algunos ejercicios.

1-Usar la definición \(\varepsilon - \delta\) de límite para demostrar que:
limite de una funcion
Solución:
Para probar que \(L=2\), probaremos que para todo \(\varepsilon >0\), existe un \(\delta >0\) tal que \(\left|\left(2x-4\right)-2 \right|<\varepsilon\) siempre que se cumpla que \(0<\left|x-3\right|<\delta\), así que lo primero que haremos es establecer una relación entre los valores absolutos \(\left|\left(2x-4\right)-2\right|\) y \(\left| x-3\right|\), como se muestra a continuación.
simplificacion del valor absoluto
De manera que, para todo \(\varepsilon >0\), existe un \(\delta=\frac{\varepsilon}{2}\), de manera que se cumple que:
definicion de delta
Lo que nos lleva a 
definicion-de-epsilon
La siguiente gráfica muestra claramente la relación entre \(\varepsilon\) y \(\delta\), tomamos \(\varepsilon =1\) de donde \(\delta=\frac{\varepsilon}{2}=\frac{1}{2}=0.5\), este valor tan grande de \(\varepsilon\) lo hacemos para vislumbrarlo mejor en la gráfica.
grafico de epsilon delta

2- Dada la función
funcion matematica
Determinar \(\delta\), tal que \(0<\left|x-1\right|<\delta\), se cumple que \(\left|f\left(x\right)-2\right|<0.02\).
Solución:
Lo primero que haremos es mediante algo de álgebra es averiguar los valores extremos de \(x\) que nos permitan inferir un valor de \(\delta\) apropiado, sabemos que \(\left|a\right|=a\) y \(\left|-a\right|=a\), por lo que vamos a encontrar los valores de \(x\) de la siguiente ecuación:
solucion de problema de limites con epsilon delta
solucion de problema de limites con epsilon delta
Solucionamos estas dos ecuaciones en la variable x, lo que nos dará dos valores de los posibles valores extremos que debe tener \(x\) para que se cumpla que \(\left|f\left(x\right)-2\right|<0.02\), y estos son:
solucion de problema de limites con epsilon delta
Ahora elegimos el valor mínimo entre 0.00336 y 0.00331 como el valor de \(\delta\), por tanto tomamos \(\delta=0.00331\).
Por tanto para \(\left|f\left(x\right)-2\right|<0.02\) debe cumplirse que \(0<\left|x-1\right|<0.00331\)
Gráficamente la respuesta se ve así.
Grafica-de-epsilon-delta-numericos

3- Encontrar \(L\) de manera que \(\delta>0\) y \(\left|f\left(x\right)-L\right|<0.01\), cumpliéndose \(0<\left|x-c\right|<\delta\).
matematica-funcion
Solución:
Primero colocamos \(\left|20x-30-L\right|<0.01\), ahora simplificamos \(\left|20x-30-L\right|\) hasta que nos quede en la forma \(\left|x-4\right|<\delta\).
Encontrando el limite
Así que tomamos \(\delta=\frac{0.01}{20}\) y \(\left|x-\left(\frac{L+30}{20}\right)\right|=\left|x-4\right|\), y para que estos dos valores absolutos sean completamente iguales tomamos \(\frac{L+30}{20}=4\), y despejamos el valor de L para el que se cumple esta igualdad, que se corresponde con el límite de la función \(20x-30\) cuando \(x\) tiende a \(4\).
Encontrando el limite
Así podemos expresar explícitamente que:

Vea también

Límites y sus propiedades básicas


Área de un círculo y definición informal de límites