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Bachillerato

Continuidad y discontinuidades

Una función es continua en un punto de su dominio cuando las salidas cercanas son compatibles con su valor allí. Un hueco, un punto mal colocado o un salto pueden romper esa compatibilidad de formas distintas. Lo comprobaremos con valores, límites laterales y dibujos, antes de usar las garantías de los teoremas.

1. La continuidad conecta el acercamiento con el valor del punto

En f(x) = 2x − 1, la entrada tres produce cinco y los vecinos de tres producen salidas cercanas a cinco. En ese punto, límite y valor coinciden. La función no pide un salto de altura al llegar al centro.

Entradas próximas; salidas próximas
034-15x→3; f(x)→5La flecha no asigna un valor nuevo a x.
Para f(x)=2x−1, acercarse a x=3 por la izquierda o por la derecha aproxima la salida a 5. Los dos ejes muestran sus propias escalas.

En un punto interior a del dominio, donde hay vecinos a ambos lados, continuidad equivale a lim cuando x → a de f(x) = f(a). La palabra interior importa: en fronteras del dominio miraremos las entradas que realmente se admiten.

Una recta en un punto

Comprueba continuidad de f(x) = 2x − 1 en x = 3.

  1. Valor

    f(3) = 5.
  2. Vecinos

    |f(x) − 5| = 2|x − 3|.
  3. Compatibilidad

    Acercar la entrada tanto como haga falta acerca la salida al valor cinco.

Resultado

Es continua en tres.

Lo comprobamos

La distancia de salida está controlada por la de entrada.

Una raíz lejos de su frontera

Comprueba continuidad de h(x) = √x en x = 4.

  1. Valor

    h(4) = 2.
  2. Diferencia

    |√x − 2| = |x − 4|/(√x + 2), para x ≥ 0.
  3. Cota

    El denominador es al menos dos: acercar x a cuatro fuerza la diferencia a cero.

Resultado

Es continua en cuatro.

Lo comprobamos

Hay entradas reales del dominio a ambos lados de cuatro.

2. En un punto interior comprobamos existencia, límite y coincidencia

Primero debe estar definido f(a). Después los vecinos deben acercarse a un único límite finito. Por último ese límite debe ser el valor f(a). Que se cumplan solo dos de estas condiciones no basta.

Cambiar un valor no mueve los vecinos
03516f(3)=1Vecinos: y=x+3
Fuera de 3, f(x)=x+3; en 3 se define f(3)=1. El límite sigue siendo 6. El círculo vacío marca (3,6) y el lleno marca (3,1).

La comparación por izquierda y derecha ayuda: si los límites laterales son distintos, no hay límite bilateral. Si coinciden en L pero f(a) es otro número, hay incompatibilidad solo en el punto. Son problemas distintos y se corrigen de forma distinta.

Un valor mal colocado

f(x) = x + 3 para x ≠ 3 y f(3) = 1.

  1. Valor existe

    Vale uno.

  2. Límite

    Los vecinos llegan a seis.

  3. Coincidencia

    Seis no es uno.

Resultado

No es continua en tres.

Lo comprobamos

Asignar seis en ese único punto corregiría la incompatibilidad.

El valor existe, pero falta límite

f(x) = 0 para x < 0 y f(x) = 1 para x ≥ 0.

  1. Valor del centro

    f(0) = 1.
  2. Laterales

    Izquierda cero; derecha uno.

  3. Bilateral

    No existe un único límite.

Resultado

No es continua en cero.

Lo comprobamos

Cambiar solo el valor f(0) no hace coincidir sus dos lados.

3. En fronteras y dominios especiales usamos la continuidad relativa al dominio

Para √x en [0; +∞), solo hay vecinos del dominio a la derecha de cero. La continuidad en cero usa ese acercamiento y el valor √0 = 0. No se exige fabricar raíces reales de entradas negativas para comprobar un lado que no pertenece al dominio.

El dominio permite acercarse por un solo lado
-101412sin raízrealy=√x
Para √x en los reales, el dominio es [0,∞). La gráfica empieza en (0,0), incluido. Solo hay entradas del dominio a la derecha de cero.

La definición relativa pide que toda entrada del dominio suficientemente cercana tenga salida próxima a f(a). Si a es un punto aislado del dominio, podemos escoger una cercanía que no contenga ningún otro punto del dominio y la continuidad es automática. En ese caso no usamos una afirmación de límite único sin punto de acumulación.

Continuidad en la frontera de la raíz

Comprueba √x en cero dentro de [0; +∞).

  1. Valor

    Cero.

  2. Precisión pedida

    Para ε > 0 elegimos δ = ε².
  3. Entradas del dominio

    0 ≤ x < δ implica 0 ≤ √x < ε.
Resultado

Es continua en cero relativa a su dominio.

Lo comprobamos

La justificación solo utiliza entradas no negativas.

Un punto aislado

D = {0} ∪ [1; 2]. Define f(0) = 100 y f(x) = x en [1; 2]. ¿Es continua en cero relativa a D?

  1. Vecindad pequeña

    Con δ = 1/2 no entra ningún punto de [1; 2].
  2. Único punto de D dentro

    Cero.

  3. Diferencia de salidas

    |f(0) − f(0)| = 0, menor que cualquier ε positivo.
Resultado

Sí, es continua en el punto aislado.

Lo comprobamos

No hay una sucesión de otros puntos de D acercándose a cero que obligue a comparar con los valores de [1; 2].

4. Las operaciones conservan continuidad donde están definidas

Suma y producto de funciones continuas son continuos. El cociente también donde el denominador no es cero. Una composición es continua en una entrada si la función interior lo es allí y la exterior es continua en la salida correspondiente, respetando los dominios.

Los polinomios son continuos en ℝ. Raíces, logaritmos, trigonométricas y exponenciales tienen sus dominios propios. Decir que una regla es continua en su dominio no significa que esté definida y sea continua en toda la recta.

Cociente con raíz

Estudia dónde es continua h(x) = (√x + 1)/(x − 2).

  1. Dominio

    x ≥ 0 y x ≠ 2.
  2. Piezas

    La raíz y las operaciones son continuas en sus entradas permitidas.

  3. Cociente

    Es continuo en [0; 2) ∪ (2; +∞), con continuidad relativa en cero.

Resultado

Es continua en todo su dominio.

Lo comprobamos

No tiene valor en dos; la frase no añade ese punto.

Composición siempre admitida

Estudia h(x) = ln(x² + 1).

  1. Interior

    El polinomio es continuo en ℝ.

  2. Salida interior

    x² + 1 ≥ 1, siempre positiva.
  3. Exterior

    ln es continuo para argumentos positivos.

Resultado

h es continua en ℝ.

Lo comprobamos

El segundo filtro de dominio se cumple para todas las entradas.

5. Un hueco, un salto y un crecimiento sin cota tienen causas diferentes

Un problema evitable tiene un límite finito y se puede completar o corregir el valor del centro para igualarlo. Un salto presenta dos límites laterales finitos distintos. Un comportamiento infinito no admite una extensión continua real por asignar un número al punto.

Una costura puede romper la continuidad
024454 ≠ 5: cambiar solo f(2) no basta
La función vale x+2 para x<2 y 2x+1 para x≥2. El lado izquierdo llega a 4 y el derecho a 5: hay un salto.

También puede fallar el límite por oscilación, aunque la función esté acotada. Por eso no reducimos todos los casos a «denominador cero». Si el punto está fuera del dominio original, hablamos de si se puede extender la función a él. El dibujo ilustra el salto de dos piezas que llegan a cuatro y cinco.

Evitable

La regla x + 3 se usa fuera de tres y en tres se ha puesto uno. Clasifica y corrige.

  1. Límite finito

    Seis.

  2. Defecto

    Solo el valor central es distinto.

  3. Corrección

    Cambiar f(3) a seis.

Resultado

Problema evitable con extensión o corrección continua de valor seis.

Lo comprobamos

Los vecinos permanecen iguales.

Salto

f(x) = x + 2 para x < 2 y 2x + 1 para x ≥ 2.

  1. Izquierda

    Llega a cuatro.

  2. Derecha

    Llega a cinco y f(2) = 5.
  3. Imposibilidad de reparación aislada

    Un valor único no puede ser a la vez cuatro y cinco.

Resultado

Hay un salto en dos.

Lo comprobamos

No se corrige alterando solo el valor del centro.

Sin cota

¿Puede extenderse 1/(x − 1) con un valor real en uno para hacerla continua allí?

  1. Derecha

    El cociente crece sin cota positiva.

  2. Izquierda

    Baja sin cota negativa.

  3. Valor real candidato

    Ninguno coincide con un límite finito que no existe.

Resultado

No admite una extensión continua real en uno.

Lo comprobamos

No se asigna infinito como si fuera un valor real de la función.

Acotada pero oscilante

Para x ≠ 0, considera sin(1/x), con ángulos en radianes.

  1. Una familia cercana

    xₙ = 1/(π/2 + 2πn), para n entero no negativo: la salida es uno.
  2. Otra familia

    yₙ = 1/(3π/2 + 2πn): la salida es menos uno.
  3. Ambas entradas tienden a cero

    Las salidas mantienen dos valores separados.

  4. Conclusión

    No hay un único límite en cero pese a estar entre −1 y 1.

Resultado

No se puede completar continuamente en cero con un valor real.

Lo comprobamos

Estar acotada no garantiza acercarse a una sola altura.

6. Para empalmar tramos igualamos laterales y comprobamos el valor usado en la frontera

En funciones a trozos, cada fórmula se usa solo donde su condición lo indica. En un punto de unión calculamos el límite por izquierda con el tramo izquierdo, por derecha con el derecho y el valor con el tramo que incluye la igualdad.

Si ambos tramos son continuos por separado, igualar sus valores de llegada suele determinar el parámetro. Después comprobamos que el valor asignado en la frontera también coincide. Un cálculo de k no sustituye esa última revisión.

Ajustar un parámetro

f(x) = kx + 1 si x < 2 y f(x) = x² − 1 si x ≥ 2. Halla k para continuidad.

  1. Izquierda

    Límite 2k + 1.

  2. Derecha y valor

    2² − 1 = 3.
  3. Igualamos

    2k + 1 = 3: k = 1.
  4. Comprobamos

    Ambos lados y f(2) valen tres.

Resultado

k = 1.

Lo comprobamos

Las dos piezas son polinomios en sus tramos; solo había que revisar la unión.

Completar una fracción con hueco

g(x) = (x² − 9)/(x − 3) para x ≠ 3 y g(3) = k.

  1. Factorización vecina

    Para x ≠ 3, g(x) = x + 3.
  2. Límite

    Seis.

  3. Valor necesario

    k = 6.
Resultado

k = 6.

Lo comprobamos

Asignar ese valor hace coincidir límite y valor sin modificar la regla vecina.

7. La continuidad en todo un intervalo garantiza valores intermedios

Si f es continua en un intervalo cerrado [a; b], alcanza cualquier valor entre f(a) y f(b). Si los extremos tienen signos opuestos, existe al menos una raíz dentro de (a; b). Esta consecuencia se conoce como teorema de Bolzano.

Un cambio de signo permite asegurar una raíz
012-15f(1)<0<f(2)Continuidad en TODO [1,2].
El polinomio x³−x−1 es continuo en [1,2]. Vale −1 en 1 y 5 en 2; el teorema de valores intermedios garantiza al menos una raíz entre ambos. El dibujo no da una raíz exacta.

La continuidad se exige en todo el intervalo, no solo en sus extremos. El teorema afirma existencia, no unicidad ni un valor exacto para la raíz. Un dibujo o aproximación posterior puede ayudar a localizarla, pero es otra parte del cálculo.

Asegurar una raíz sin hallarla exactamente

f(x) = x³ − x − 1 en [1; 2].

  1. Continuidad

    Es un polinomio en todo el intervalo.

  2. Signos

    f(1) = −1 y f(2) = 5.
  3. Garantía

    Hay al menos una entrada c entre uno y dos con f(c) = 0.

Resultado

Existe una raíz en (1; 2).

Lo comprobamos

La respuesta no inventa una coordenada exacta a partir del dibujo.

Existencia no es unicidad

f(x) = x³ − x en [−2; 2].

  1. Signos de extremos

    f(−2) = −6 y f(2) = 6.
  2. Teorema

    Garantiza al menos una raíz.

  3. Factorización

    x(x − 1)(x + 1) muestra tres: −1, 0 y 1.

Resultado

Aquí hay tres raíces, compatible con la garantía de al menos una.

Lo comprobamos

La unicidad requiere un argumento adicional.

8. En un intervalo cerrado y acotado se alcanzan máximo y mínimo

Una función continua en [a; b], con extremos reales finitos, alcanza un máximo y un mínimo absolutos. Son valores de la función en puntos del intervalo. No se confunden con una cota que puede no alcanzarse. Es el teorema de Weierstrass para este caso.

El mínimo puede estar dentro; el máximo en un extremo
01326Cerrado + acotado + continuidadMáximo y mínimo sí se alcanzan.
En [0,3], (x−1)²+2 tiene mínimo 2 en x=1 y máximo 6 en x=3. El valor en 0 es 3. Los dos extremos del intervalo están incluidos.

Las hipótesis dan una garantía general. Sin ellas una función particular puede seguir teniendo extremos, pero ya no podemos concluirlo solo por el teorema. Mirar las fronteras abiertas o un dominio sin cota puede revelar valores que se aproximan sin llegar a alcanzarse.

Extremos de una parábola en un tramo cerrado

f(x) = (x − 1)² + 2 en [0; 3].

  1. Mínimo

    El cuadrado no es negativo y vale cero en x = 1: mínimo dos.

  2. Mayor distancia a uno dentro del intervalo

    Se alcanza en x = 3, a distancia dos.
  3. Máximo

    2² + 2 = 6.
Resultado

Mínimo 2 en uno; máximo 6 en tres.

Lo comprobamos

f(0) = 3: revisar solo los extremos habría perdido el mínimo interior.

Fronteras abiertas

f(x) = x solo en (0; 1). ¿Alcanza mínimo y máximo?

  1. Cotas

    Cero y uno acotan las salidas.

  2. No se alcanzan

    Ninguna entrada del dominio vale cero o uno.

  3. Entre cualquier entrada y una frontera

    Siempre queda otra con salida menor o mayor.

Resultado

No alcanza mínimo ni máximo en ese dominio.

Lo comprobamos

Es continua, pero falta el intervalo cerrado de la garantía anterior.

9. Unir alturas no exige que las inclinaciones también coincidan

Una curva puede ser continua y tener una esquina. |x| en cero llega a la misma altura por ambos lados, pero la recta izquierda tiene pendiente −1 y la derecha +1. La continuidad controla valores próximos; la derivada estudiará la tasa de cambio local.

La costura conserva la misma altura
02445límite izquierdo = derecho = valor
La función vale x+2 para x<2 y 2x para x≥2. Los dos lados llegan a 4 y f(2)=4: la unión es continua.
El dibujo muestra x + 2 para x < 2 y 2x para x ≥ 2.

Las alturas llegan a cuatro y el valor en dos es cuatro: hay continuidad. Las pendientes uno y dos son distintas. Más adelante separaremos con precisión continuidad y derivabilidad.

Una esquina continua

Estudia |x| en cero.

  1. Valor

    Cero.

  2. Límite

    |x| se acerca a cero desde ambos lados.

  3. Inclinaciones

    Para x < 0 es −x, pendiente −1; para x > 0 es x, pendiente uno.
Resultado

Es continua, aunque sus dos inclinaciones laterales difieren.

Lo comprobamos

No se deduce una tangente única por el hecho de unir las alturas.

Dos rectas bien empalmadas

f(x) = x + 2 si x < 2 y f(x) = 2x si x ≥ 2.

  1. Llegada izquierda

    Cuatro.

  2. Llegada derecha y valor

    Cuatro.

  3. Pendientes

    Uno en la primera pieza y dos en la segunda.

Resultado

Es continua en dos y presenta cambio de inclinación.

Lo comprobamos

La igualdad de alturas se ha comprobado aparte de la de pendientes.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Completar un hueco

Define f(x)=(x²−4)/(x−2) si x≠2 y f(2)=k. ¿Qué k hace continua f?

  1. Regla vecina

    x² − 4 = (x − 2)(x + 2).
  2. Para x ≠ 2

    El cociente vale x + 2.

  3. Límite en dos

    Cuatro por ambos lados.

  4. Valor central

    f(2) = k debe coincidir con cuatro.
  5. Conclusión

    k = 4; valor, límite y coincidencia quedan verificados.
Resultado

k=4.

Lo comprobamos

Los tres requisitos se cumplen al asignar ese valor.

EJEMPLO RESUELTO 2

Empalmar tramos

f(x)=2x+1 si x<1 y f(x)=kx si x≥1. Halla k para continuidad en 1.

  1. Izquierda

    Con x < 1, 2x + 1 se acerca a tres.
  2. Derecha

    Con x > 1, kx se acerca a k.
  3. Valor en uno

    El tramo x ≥ 1 fija f(1) = k.
  4. Continuidad

    k = 3 iguala ambos lados y el valor del centro.

Resultado

k=3.

Lo comprobamos

Ambos tramos llegan a 3 y f(1)=3.

Los símbolos que hemos usado

f(a)
Valor asignado a la función en la entrada a.
L
Límite finito de la función al acercarse a un punto.
x→a⁻
Aproximación a a desde entradas menores.
x→a⁺
Aproximación a a desde entradas mayores.
k
Parámetro cuyo valor se determina mediante una condición.
[a,b]
Intervalo cerrado que contiene ambos extremos.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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