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Bachillerato

Indeterminaciones y transformaciones de límites

Sustituir puede producir una división permitida o revelar que todavía falta estudiar la expresión. La forma 0/0 no tiene un valor que podamos usar como respuesta: distintas funciones con esa forma pueden acercarse a números distintos. Elegiremos entre factorizar, usar un conjugado o comparar potencias, justificando cada cambio.

1. Una transformación para el límite debe conservar los vecinos que estamos estudiando

El límite en a depende de entradas del dominio cercanas a a y distintas de a. Dos reglas que coinciden en todos esos vecinos tienen el mismo límite, aunque una tenga un hueco en a. Esto permite simplificar sin afirmar que la función original adquirió un valor en el centro.

Al cancelar un factor x − a exigimos x ≠ a.

Esa condición es compatible con el entorno perforado del límite. Cancelar no define la operación original de dividir entre cero ni borra una restricción cuando se pregunta por el valor exacto de la función.

Mismos vecinos, distinto dominio

Compara f(x) = (x² − 9)/(x − 3), x ≠ 3, con g(x) = x + 3.

  1. Factorización

    x² − 9 = (x − 3)(x + 3).
  2. Para x ≠ 3

    El cociente es x + 3.

  3. Límite

    Ambas se acercan a seis cuando x → 3.
Resultado

Mismo límite seis; f sigue sin valor en tres.

Lo comprobamos

La igualdad usada se declaró donde el factor cancelado no es cero.

Asignar otro valor al centro

A la regla anterior se le añade f(3) = −10. ¿Cambia su límite?

  1. Entrada exacta

    Ahora el valor del centro es −10.

  2. Entradas vecinas

    Siguen produciendo x + 3.

  3. Acercamiento

    Sigue siendo seis.

Resultado

El límite no cambia.

Lo comprobamos

El valor aislado y el acercamiento siguen siendo preguntas diferentes.

2. Comprobamos primero si una ley de límites ya permite calcular

Para un cociente de polinomios en un punto finito, si el denominador no se anula podemos evaluar arriba y abajo y dividir. Que una expresión parezca complicada o aparezca en una colección de factorización no obliga a usar ese método.

Si el denominador se anula, distinguimos qué ocurre con el numerador y analizamos el comportamiento. Ni 0/0 ni un número no nulo entre cero son divisiones reales válidas; describen una situación que pide más información.

No hace falta transformar

Halla el límite de (2x² + 3)/(x + 1) cuando x → 2.

  1. Abajo

    Tres, no nulo.

  2. Arriba

    2 · 4 + 3 = 11.
  3. Cociente

    11/3.

Resultado

11/3.

Lo comprobamos

La condición del denominador permite sustitución directa.

Diagnosticar antes del método

Para (x² − 1)/(x − 1) cuando x → 1, ¿qué informa la sustitución?

  1. Arriba

    Cero.

  2. Abajo

    Cero.

  3. Alcance

    La forma 0/0 no decide el límite; una transformación puede revelar los vecinos.

Resultado

Hay una forma indeterminada 0/0 que aún debe resolverse.

Lo comprobamos

No se escribe cero, uno o infinito como resultado de esa división.

3. Una forma indeterminada no determina un resultado único

Para x ≠ 0, x/x = 1 y x²/x = x.

Ambos darían 0/0 al sustituir en cero, pero sus límites son uno y cero. También x/x² = 1/x crece sin cota por la derecha. La misma forma inicial puede esconder comportamientos diferentes.

Al acercarse a cero, los signos importan
-202-441/x: izquierda −∞ · derecha +∞No existe un único límite bilateral.
La gráfica de 1/x crece sin cota por la derecha de cero y decrece sin cota por la izquierda. Se muestran ramas truncadas al alcanzar el borde de la ventana; la función continúa fuera.

Un numerador que tiende a un número no nulo sobre un denominador que tiende a cero es otro diagnóstico. Puede dar crecimiento sin cota con un signo o tener signos laterales opuestos. Por ejemplo, 1/x² va a +∞ por ambos lados de cero, mientras 1/x tiene lados −∞ y +∞.

Tres cocientes que parecen 0/0

Para x → 0⁺, compara x²/x, x/x y x/x².

  1. Primero

    Para x > 0, x²/x = x: límite cero.
  2. Segundo

    x/x = 1: límite uno.
  3. Tercero

    x/x² = 1/x: crece sin cota positiva.
Resultado

Límites 0, 1 y +∞.

Lo comprobamos

Se estudiaron los cocientes en x positivo, sin dividir en cero.

Mismo denominador nulo, distinto signo lateral

Compara 1/x y 1/x² cerca de cero.

  1. 1/x

    Positivo a la derecha, negativo a la izquierda; su módulo crece sin cota.

  2. 1/x²

    Positivo en ambos lados y sin cota.

  3. Conclusión

    La primera no tiene un único límite bilateral; la segunda tiende a +∞.

Resultado

El signo y los lados importan.

Lo comprobamos

Para exigir 1/x² > M con M > 0 basta 0 < |x| < 1/√M: eso precisa el crecimiento sin cota.

4. Factorizar convierte una cancelación aparente en una igualdad válida en los vecinos

Si numerador y denominador comparten un factor que se anula en a, lo escribimos explícitamente y cancelamos solo para x ≠ a. Después comprobamos la nueva expresión y calculamos su límite. Cancelamos factores que multiplican, nunca términos que se suman.

Un hueco conserva una altura de aproximación
03516Vecinos: y=x+3
La función (x²−9)/(x−3) coincide con x+3 solo para x≠3. El círculo vacío excluye (3,6), pero las salidas vecinas se aproximan a 6.

En (x² − 9)/(x − 3), la diferencia de cuadrados da (x − 3)(x + 3). El cociente coincide con x + 3 fuera de tres, como muestra el hueco del dibujo. El factor x − 3 no es el valor del límite; es la pieza que ocultaba esa regla vecina.

Diferencia de cuadrados

Halla el límite de (x² − 9)/(x − 3) cuando x → 3.

  1. Factores

    (x − 3)(x + 3)/(x − 3).

  2. Vecinos

    Para x ≠ 3 se reduce a x + 3.
  3. Límite

    3 + 3 = 6.
Resultado

6.

Lo comprobamos

El denominador original sigue siendo cero en tres: la función original mantiene el hueco.

Un trinomio

Halla el límite de (x² − x − 6)/(x − 3) cuando x → 3.

  1. Buscamos factores

    (x − 3)(x + 2) = x² − x − 6.
  2. Cancelamos donde x ≠ 3

    Queda x + 2.

  3. Evaluamos la regla vecina

    3 + 2 = 5.
Resultado

5.

Lo comprobamos

Desarrollar los factores recupera el numerador original.

5. Un conjugado usa diferencia de cuadrados para revelar el factor

Una diferencia de raíces puede transformarse multiplicando por su conjugado.

(u − v)(u + v) = u² − v².

Multiplicamos numerador y denominador por el mismo factor no nulo para conservar la expresión en los vecinos.

Antes comprobamos el dominio de la raíz. Después de cancelar revisamos que el nuevo denominador no se anule en el punto. Ver una raíz no obliga a racionalizar siempre: elegimos el conjugado cuando ayuda a resolver la forma que apareció.

Raíz desplazada

Halla el límite de [√(x + 4) − 2]/x cuando x → 0.

  1. Forma inicial

    0/0; la raíz admite vecinos de cero.

  2. Conjugado

    Multiplicamos por [√(x + 4) + 2] arriba y abajo.

  3. Producto del numerador

    (x + 4) − 4 = x.
  4. Para x ≠ 0

    Queda 1/[√(x + 4) + 2].

  5. Límite

    1/(2 + 2) = 1/4.
Resultado

1/4.

Lo comprobamos

El conjugado es positivo cerca de cero y la transformación conserva esos vecinos.

Raíz sin desplazamiento

Halla el límite de (√x − 3)/(x − 9) cuando x → 9.

  1. Conjugado

    Multiplicamos por √x + 3.

  2. Numerador

    x − 9.

  3. Cancelación vecina

    Para x ≠ 9, queda 1/(√x + 3).
  4. Sustitución permitida

    1/(3 + 3) = 1/6.
Resultado

1/6.

Lo comprobamos

Cerca de nueve la raíz es real y el denominador final es positivo.

6. Al infinito dividimos por una potencia para comparar tamaños

x → +∞ o x → −∞ describe entradas sin cota, no un número que se sustituya. En cocientes de polinomios, dividir numerador y denominador por la mayor potencia del denominador permite ver términos 1/x, 1/x²… que tienden a cero.

Dividir por la potencia dominante explica la altura de acercamiento
2468100.20.40.60.81xy0Altura límite: 3/5
Ventana de la función tres x al cuadrado menos dos x más uno entre cinco x al cuadrado más cuatro, para x de cero a diez. La recta discontinua marca tres quintos. El dibujo sugiere un acercamiento; la división algebraica por x al cuadrado justifica el límite al infinito.

Si los grados son iguales, queda el cociente de coeficientes principales. Si el numerador tiene menor grado, el cociente tiende a cero. Si tiene mayor, hay que estudiar la potencia sobrante y su signo en el extremo pedido. Primero simplificamos términos que realmente se cancelen dentro de cada polinomio.

Igual grado

Halla el límite de (3x² − 2x + 1)/(5x² + 4) cuando x → +∞.

  1. Dividimos entre x²

    (3 − 2/x + 1/x²)/(5 + 4/x²).

  2. Términos pequeños

    Las fracciones con x abajo tienden a cero.

  3. Cociente final

    3/5.

Resultado

3/5.

Lo comprobamos

El denominador transformado tiende a cinco, no a cero.

Menor grado arriba

Halla el límite de (2x + 1)/(x² + 1) cuando x → +∞.

  1. Dividimos entre x²

    (2/x + 1/x²)/(1 + 1/x²).

  2. Límites de piezas

    Cero arriba y uno abajo.

  3. Resultado

    Cero.

Resultado

0.

Lo comprobamos

La potencia cuadrática del denominador crece más deprisa que la lineal del numerador.

Mayor grado y extremo negativo

Halla el límite de (x³ + 1)/(2x² + 1) cuando x → −∞.

  1. Dividimos entre x²

    x(1 + 1/x³)/(2 + 1/x²).

  2. Factor restante

    El cociente entre paréntesis tiende a 1/2 positivo.

  3. Signo y tamaño

    x es negativo sin cota: el producto tiende a −∞.

Resultado

−∞.

Lo comprobamos

No se pierde el signo del extremo negativo al comparar solo grados.

7. Diferencias y productos pueden convertirse en cocientes más claros

La forma ∞ − ∞ no decide cuánto se cancela entre cantidades grandes. Un conjugado o denominador común puede revelar la diferencia. La forma 0 · ∞ tampoco permite multiplicar directamente dos supuestos números: a veces reescribimos como cociente.

La transformación debe conservar el dominio y el extremo pedido. Al sacar una x de √(x²) aparece |x|: solo la sustituimos por x si estamos trabajando con x positivo, como en un límite a +∞.

Dos cantidades grandes con diferencia finita

Halla el límite de √(x² + x) − x cuando x → +∞.

  1. Conjugado

    La expresión se vuelve x/[√(x² + x) + x].

  2. x positivo cerca de +∞

    Dividimos entre x: 1/[√(1 + 1/x) + 1].

  3. Límite

    1/(1 + 1) = 1/2.
Resultado

1/2.

Lo comprobamos

El paso √(x²) = x se justificó por el extremo positivo.

Un producto 0 por infinito no decide

Para x → 0⁺, compara x(1/x) con x²(1/x).

  1. Primero

    Vale uno para cada x > 0.
  2. Segundo

    Vale x para cada x > 0.
  3. Límites

    Uno y cero.

Resultado

La misma forma inicial es compatible con límites distintos.

Lo comprobamos

La simplificación se hizo donde x no era cero.

8. En una potencia también hay que estudiar la expresión completa

1^∞, 0⁰ e ∞⁰ son nombres de formas de límites: describen qué hacen base y exponente, no definen una nueva operación con cero o infinito. Sus componentes por separado no fijan el límite de la potencia.

Si la base u(x) es positiva, tomar logaritmo convierte u(x)^v(x) en el estudio de v(x) ln u(x). Después usamos continuidad de la exponencial para volver al resultado cuando el límite del logaritmo lo permite. También podemos simplificar directamente con leyes de potencias para bases positivas.

Base que tiende a uno, exponente sin cota

Para x → +∞, compara [2^(1/x)]^x y [3^(1/x)]^x.

  1. Bases

    Ambas tienden a uno porque 1/x tiende a cero.

  2. Exponentes

    x tiende a +∞.

  3. Expresiones completas

    Por leyes de bases positivas, valen exactamente dos y tres para x > 0.

Resultado

Los límites son dos y tres: la forma 1^∞ no decide.

Lo comprobamos

Tomar logaritmos daría respectivamente ln2 y ln3, también constantes.

Base que tiende a cero y exponente a cero

Estudia [2^(−x)]^(1/x) cuando x → +∞.

  1. Base

    2^(−x) tiende a cero y es positiva.

  2. Exponente

    1/x tiende a cero.

  3. Producto de exponentes permitido

    [2^(−x)]^(1/x) = 2^(−1) = 1/2.
Resultado

El límite es 1/2.

Lo comprobamos

Cambiar dos por tres produciría un tercio: no se ha asignado valor a 0⁰.

Base sin cota y exponente a cero

Estudia [2^x]^(1/x) cuando x → +∞.

  1. Base

    Tiende a +∞.

  2. Exponente

    Tiende a cero.

  3. Identidad completa

    La expresión vale 2^(x/x) = 2 para x > 0.
Resultado

El límite es dos.

Lo comprobamos

Con base tres elevada a x se obtendría tres, con la misma forma ∞⁰.

9. Elegimos una herramienta y comprobamos que conserve los vecinos

Primero dominio y extremo; después diagnóstico de la sustitución o de los tamaños. Factorizamos cuando hay factores comunes; usamos conjugado cuando revela una diferencia de cuadrados; comparamos potencias en cocientes polinómicos al infinito. No cancelamos términos sumados ni aplicamos una fórmula solo por el aspecto de un símbolo.

Al finalizar, comprobamos que el nuevo denominador permite el paso, que el signo corresponde al lado y que no hemos añadido un valor al centro original. Un límite finito y un crecimiento a infinito son respuestas de naturaleza distinta y deben nombrarse con claridad.

No se cancelan términos sumados

¿Puede simplificarse (x² + 1)/(x + 1) cancelando una x cuando x → −1?

  1. Estructura

    Arriba y abajo hay sumas, no un factor x común a todo.

  2. Numerador en −1

    Dos, no cero.

  3. Comportamiento

    El denominador cambia de signo al cruzar −1; no hay límite bilateral finito.

Resultado

Esa cancelación no es válida.

Lo comprobamos

El factor x + 1 no divide al polinomio x² + 1 porque este no se anula en −1.

Factor común en los dos polinomios

Halla el límite de (x² − 4)/(x² + x − 6) cuando x → 2.

  1. Factorizamos

    Arriba (x − 2)(x + 2); abajo (x − 2)(x + 3).

  2. Vecinos permitidos

    Se cancela x − 2 para x ≠ 2.
  3. Denominador final

    x + 3 tiende a cinco.

  4. Resultado

    (2 + 2)/(2 + 3) = 4/5.
Resultado

4/5.

Lo comprobamos

La simplificación se usa cerca de dos, donde tampoco aparece la otra raíz prohibida −3.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Factorización

Halla lim cuando x→2 de (x²−4)/(x−2).

  1. Diagnóstico

    En x = 2 aparecen cero arriba y cero abajo; esa forma no da un valor.

  2. Diferencia de cuadrados

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

    El cociente se reduce a x + 2.

  4. Límite

    La regla vecina se acerca a cuatro.

  5. Justificación de la igualdad

    Ambas funciones coinciden en un entorno perforado de dos.

Resultado

4.

Lo comprobamos

Las funciones coinciden en un entorno perforado del punto.

EJEMPLO RESUELTO 2

Conjugado

Halla lim cuando x→0 de (√(1+x)−1)/x.

  1. Dominio y forma

    Hay vecinos reales de cero con x ≠ 0; la sustitución inicial da 0/0.

  2. Conjugado

    Multiplicamos por √(1 + x) + 1 arriba y abajo.

  3. Producto

    (1 + x) − 1 = x.
  4. Cancelamos para x ≠ 0

    Queda 1/[√(1 + x) + 1].

  5. Límite permitido

    1/(1 + 1) = 1/2.
Resultado

1/2.

Lo comprobamos

La transformación usa (√(1+x)−1)(√(1+x)+1)=x.

Los símbolos que hemos usado

x→a
La entrada se aproxima a a desde valores del dominio, sin necesitar x=a.
lim f(x)=L
Los valores de f se aproximan a L en el proceso indicado.
Entorno perforado
Valores próximos al punto, excluyendo el propio punto.
0/0, ∞/∞
Formas indeterminadas de cocientes; no son números ni divisiones válidas.
Conjugado
Binomio que cambia el signo entre sus términos para usar diferencia de cuadrados.
x→∞
La entrada crece sin cota superior; no se sustituye un número llamado infinito.
u(x), v(x)
Funciones auxiliares usadas al reorganizar una expresión.

Ahora te toca a ti.

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

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