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Bachillerato

Límites por sustitución directa

Un límite pregunta por las salidas cercanas, pero en una función continua podemos obtenerlo evaluando en el punto. Ese es el motivo de la sustitución directa. Vamos a comprobar cuándo se permite y a hacer cada operación por separado: potencias, signos, numerador y denominador.

1. Primero leemos la entrada estudiada y comprobamos que la regla permite acercarse

En un límite cuando x → a, identificamos a y la expresión de la función.

Si es continua en a, el límite coincide con f(a). Sustituir funciona por esa propiedad, no porque el concepto de límite sea siempre poner x igual a a.

También miramos el dominio: tiene que haber entradas vecinas del dominio que se acerquen al punto. Un cociente con denominador no nulo, un polinomio y las operaciones continuas correspondientes permiten el método. Si alguna condición falla, estudiamos qué ocurre en vez de forzar una división.

Lectura antes de operar

Halla el límite de 4x + 2 cuando x → 1.

  1. Punto de entrada

    Uno.

  2. Tipo de regla

    Polinomio, continuo en uno.

  3. Sustituimos

    4 · 1 + 2 = 6.
Resultado

El límite es seis.

Lo comprobamos

La justificación es continuidad de la regla en el punto.

Una entrada fuera de la zona real

Se propone estudiar √(x − 3) cuando x → 2 en los reales. ¿Sirve sustituir?

  1. Dominio

    x ≥ 3.
  2. Cercanía al dos

    No hay entradas del dominio arbitrariamente cercanas a dos.

  3. Decisión

    No hay un límite real relativo a ese dominio con el punto dos como punto de acumulación.

Resultado

La sustitución no es un método aplicable aquí.

Lo comprobamos

El problema no se arregla escribiendo una raíz real de −1.

2. En polinomios sustituimos y respetamos el orden de operaciones

Los polinomios son continuos en todos los reales. Para hallar su límite en un punto finito, evaluamos sus términos: primero potencias, después productos y finalmente sumas o restas. Una constante se conserva.

No eliminamos la letra en un término y la dejamos en otro. Si x aparece varias veces, todas las apariciones se evalúan en la misma entrada. El valor exacto obtenido es el límite.

Tres términos

Halla el límite de x³ − 2x + 5 cuando x → −1.

  1. Sustitución completa

    (−1)³ − 2(−1) + 5.

  2. Potencia y producto

    −1 + 2 + 5.

  3. Suma

    Seis.

Resultado

6.

Lo comprobamos

El cubo de menos uno es negativo; el término −2x se vuelve positivo.

Una constante también tiene límite

Halla el límite de 7 cuando x → 100.

  1. Regla

    La salida siempre es siete.

  2. Vecinos de cien

    Todos producen la misma salida.

  3. Resultado

    Siete.

Resultado

7.

Lo comprobamos

No se multiplica siete por cien: no aparece ninguna x en la expresión.

3. En un cociente calculamos arriba y abajo por separado

Si numerador y denominador son continuos y el denominador no se anula en a, el cociente también es continuo allí. Entonces dividimos sus valores en a. Separar las dos cuentas permite revisar signos y evita sumar términos de lados distintos de la barra.

Cerca de la entrada uno el cociente se acerca a cinco medios
1231234xy05/2(2x + 3) / (x² + 1)
Gráfica de dos x más tres dividido entre x al cuadrado más uno. El denominador es positivo para todo real. El punto uno cinco medios y sus guías indican que las salidas se acercan a dos coma cinco al acercar la entrada a uno.

El dibujo usa (2x + 3)/(x² + 1) cerca de uno. Arriba se llega a cinco; abajo a dos. La altura cinco medios sale del cociente de esos dos límites, con denominador permitido.

Arriba cinco, abajo dos

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

  1. Denominador

    1² + 1 = 2 ≠ 0.
  2. Numerador

    2 · 1 + 3 = 5.
  3. Cociente

    5/2 = 2,5.
Resultado

5/2.

Lo comprobamos

Ambas cuentas se hicieron en la misma entrada uno.

Un resultado negativo

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

  1. Denominador

    −2 + 5 = 3 ≠ 0.
  2. Numerador

    3(−2) − 1 = −7.
  3. División

    −7/3.

Resultado

−7/3.

Lo comprobamos

Cerca de −2, el numerador sigue siendo negativo y el denominador positivo.

4. Si el denominador se anula, la división directa deja de decidir

En un cociente conviene revisar primero el denominador. Si da cero, no hay una división real que podamos efectuar en ese punto. La forma 0/0 pide otro análisis; un número no nulo entre cero también exige estudiar lados y signos.

No se transforma una división entre cero en un número por convenio. Un cociente puede tener límite finito, crecer sin cota o comportarse de forma distinta a cada lado. La condición del denominador evita decidir antes de estudiar.

Una cuenta que se debe detener

¿Permite la sustitución directa dividir (x² − 9)/(x − 3) en x → 3?

  1. Abajo

    3 − 3 = 0.
  2. Arriba

    3² − 9 = 0.
  3. Diagnóstico

    0/0 no es un cociente real; la regla directa no da el límite.

Resultado

No: habrá que transformar o estudiar los vecinos.

Lo comprobamos

Factorizar permitirá resolverlo después, sin afirmar que se haya evaluado la fracción en tres.

Signos opuestos cerca de un denominador cero

Estudia por qué no basta sustituir en 1/(x − 3) cuando x → 3.

  1. Derecha

    x − 3 es positivo y tan pequeño como queramos: el cociente crece sin cota.

  2. Izquierda

    El denominador es negativo y pequeño en módulo: el cociente baja sin cota.

  3. Conclusión

    No hay un único límite bilateral, y 1/0 no es un valor real.

Resultado

La sustitución no define una respuesta.

Lo comprobamos

Las dos direcciones explican lo que ocurre cerca del punto.

5. Una entrada negativa se escribe entera entre paréntesis

Si x → −2, cada x se sustituye por (−2).
Así x² pasa a (−2)² = 4.

Un signo menos que ya estuviera delante de x² sigue fuera: −x² se vuelve −(−2)² = −4.

Los productos conservan sus signos: −2x en x = −2 vale −2(−2) = 4. Escribir la sustitución completa antes de operar permite distinguir el signo propio de un coeficiente del signo de la entrada.

Potencia y producto negativos

Halla el límite de 3x² − 2x + 1 cuando x → −2.

  1. Sustituimos

    3(−2)² − 2(−2) + 1.

  2. Potencia

    (−2)² = 4.
  3. Productos y suma

    12 + 4 + 1 = 17.
Resultado

17.

Lo comprobamos

El término −2x se hizo positivo porque multiplica dos negativos.

El menos exterior no entra en el cuadrado

Compara los límites de −x² + 3x y (−x)² + 3x cuando x → −2.

  1. Primera

    −(−2)² + 3(−2) = −4 − 6 = −10.
  2. Segunda

    [−(−2)]² + 3(−2) = 4 − 6 = −2.
  3. Diferencia

    En una, el menos está fuera del cuadrado; en otra forma parte de la base.

Resultado

−10 y −2.

Lo comprobamos

Los paréntesis indican qué se eleva al cuadrado.

6. Cero en el numerador puede ser una respuesta perfectamente válida

Si el numerador tiende a cero y el denominador a un número no nulo, la regla del cociente da cero. Por ejemplo, cero entre tres es cero. Lo que impide dividir es que el denominador sea cero, no que aparezca un cero en cualquier parte.

La forma 0/0 no determina una respuesta única. Para x ≠ 0, x/x vale uno y x²/x vale x: ambos darían 0/0 al sustituir en cero, pero sus límites son distintos. La transformación debe estudiarse en los vecinos permitidos.

Cero sobre un número permitido

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

  1. Denominador

    2 + 1 = 3 ≠ 0.
  2. Numerador

    4 − 4 = 0.
  3. Cociente válido

    0/3 = 0.
Resultado

0.

Lo comprobamos

No se necesita factorizar para que el numerador deje de ser cero.

Dos ceros sobre cero, dos comportamientos

Compara x/x y x²/x para x ≠ 0 cuando x → 0.

  1. Primera regla vecina

    x/x = 1, límite uno.
  2. Segunda

    x²/x = x, límite cero.
  3. Diagnóstico compartido

    La sustitución inicial producía 0/0 en las dos, sin decidir sus límites.

Resultado

Límites 1 y 0, respectivamente.

Lo comprobamos

0/0 no se ha definido como ninguno de esos números.

7. Una fracción o un radical exacto puede ser el resultado final

Una respuesta como 3/7 conserva el valor exacto.

Si escribimos 0,429, damos una aproximación y usamos ≈.

No es necesario continuar hasta un decimal finito ni modificar los números para que la división sea exacta en pocas cifras.

Las raíces también pueden quedar en una respuesta exacta. Si se usan, comprobamos su dominio y las otras operaciones. Después revisamos signo y tamaño para detectar errores grandes sin confundir esa revisión con la demostración.

Una fracción no terminante

Halla el límite de (2x + 1)/(x + 6) cuando x → 1.

  1. Denominador

    Siete, no nulo.

  2. Numerador

    Tres.

  3. Resultado

    3/7 ≈ 0,429.
Resultado

El valor exacto es 3/7.

Lo comprobamos

Es positivo y menor que uno porque arriba tres es menor que abajo siete.

Un resultado con raíz

Halla el límite de √(x + 5)/(x + 1) cuando x → 2.

  1. Dominio cerca de dos

    El radicando es positivo y el denominador no se anula.

  2. Evaluamos piezas

    √7 y tres.

  3. Cociente

    √7/3.

Resultado

√7/3.

Lo comprobamos

Como √7 es menor que tres, el resultado está entre cero y uno.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Comprobar, sustituir y dividir

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

  1. Qué estudiamos

    Las salidas del cociente cerca de la entrada dos.

  2. Denominador

    2 + 2 = 4 ≠ 0; la regla racional es continua allí.
  3. Numerador

    3 · 2 + 1 = 7.
  4. Cociente

    7/4 = 1,75.
  5. Comprobación

    Cerca de dos, ambas partes son positivas y el cociente sigue cerca de ese valor.

Resultado

El límite es 7/4 = 1,75.

Lo comprobamos

Cerca de 2, el numerador y el denominador son positivos; el signo positivo y el tamaño cercano a 1,75 son coherentes.

EJEMPLO RESUELTO 2

Conservar cada signo con entrada negativa

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

  1. Denominador primero

    −1 + 4 = 3 ≠ 0.
  2. Sustitución con signo

    El numerador es 2(−1) − 3.

  3. Numerador

    −2 − 3 = −5.
  4. Cociente y límite

    −5/3.

  5. Comprobamos

    Numerador negativo cerca de −1 y denominador positivo cerca de tres: signo negativo coherente.

Resultado

El límite es −5/3.

Lo comprobamos

Cerca de −1, arriba seguimos cerca de −5 y abajo cerca de 3. El signo negativo no es un accidente de la cuenta.

Los símbolos que hemos usado

a
Punto al que acercamos la entrada x.
P(x) / Q(x)
Cociente de polinomios: P es el numerador y Q el denominador.
Q(a)
Resultado de sustituir la entrada a solo en el denominador.
≠ 0
Distinto de cero: condición necesaria para dividir en este método.
Continuidad en a
La función está definida en a y sus valores vecinos se acercan precisamente a f(a).

Ahora te toca a ti.

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

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