Un cociente puede acercarse a cero entre cero sin que eso nos diga su límite. L’Hôpital compara el cambio del numerador con el del denominador. Antes de derivar comprobaremos que se puede usar; después veremos por qué la nueva cuenta responde a la pregunta original.
Si necesitas repasar:
1. Cero entre cero describe un problema, no una respuesta
Si numerador y denominador tienden a cero, el cociente puede tener distintos resultados. La forma 0/0 no es una división permitida: nos avisa de que falta comparar las velocidades con que cambian.
Lo mismo ocurre con ∞/∞, donde ambos crecen en magnitud. Si el denominador tiende a un número no nulo, las leyes ordinarias ya resuelven el límite. Si solo el denominador tiende a cero, primero hay que mirar los signos laterales.
La misma forma, tres resultados
Cuando x→0 comparar x²/x, 3x/x y x/x², siempre x≠0.
Formas
Las tres expresiones tienen numerador y denominador tendiendo a cero.
Simplificar
Son x, tres y 1/x respectivamente.
Resultados
La primera tiende a cero, la segunda a tres, la tercera no tiene límite bilateral, ni siquiera infinito del mismo signo.
La etiqueta 0/0 no decide el resultado.
Los laterales de 1/x tienen signos opuestos.
Una cuenta que no pide derivadas
(x²+1)/(x+2) cuando x→0.
Sustituir límites
El numerador tiende a uno y el denominador a dos.
Dividir
Como dos no es cero, el límite es un medio.
Contraste
Derivar las partes daría 2x/1→0: otra respuesta porque faltan las hipótesis.
El límite es 1/2 por continuidad.
No se convierte cualquier fracción en un caso de L’Hôpital.
2. Una versión precisa que podremos aplicar
Trabajamos en un intervalo a un lado de a, sin incluir a.
Si f y g tienden ambos a cero, o ambos divergen en magnitud, y f′(x)/g′(x) tiene límite L, finito o infinito, entonces f(x)/g(x) tiene ese mismo límite.
Para un límite bilateral se comprueba cada lado. Para x→±∞ se usa una cola del dominio. No hace falta que f′ y g′ tengan límites por separado: importa su cociente. Es una condición suficiente; si no se cumple, el teorema no decide por sí solo el problema.
Revisar cada casilla
(e^(2x)−1)/x cuando x→0.
Forma y entorno
Numerador y denominador tienden a cero; las funciones son derivables a ambos lados.
No anulación
x≠0 en los intervalos usados y la derivada del denominador es uno.
Cociente derivado
2e^(2x)/1→2 en ambos lados.
El límite bilateral es dos.
El factor dos viene de derivar el argumento 2x.
Una cola en lugar de un punto cercano
(x²+1)/(3x²−x) cuando x→+∞.
Forma
Ambos tienden a +∞.
Condiciones
Para x>1, el denominador no se anula y 6x−1 tampoco.Derivadas
2x/(6x−1)→1/3, dividiendo por x.
El límite es 1/3.
No necesitamos derivar otra vez: el nuevo límite ya está resuelto.
3. Derivar las partes no es derivar la fracción
En el caso 0/0 podemos extender f(a)=g(a)=0 para hacerlas continuas en el extremo. El teorema del valor medio de Cauchy, entre a y una entrada x, da un punto c intermedio con f(x)/g(x)=f′(c)/g′(c).
Cuando x se acerca a a, también c se acerca. Si el cociente de derivadas tiene límite L, la igualdad transfiere ese límite.
La derivada de una fracción sería otra operación: (f′g−fg′)/g².
Igual límite, valores diferentes
Comparar (eˣ−1)/x y eˣ.
Entrada fija uno
La primera vale e−1; la segunda e.
Límite en cero
La regla permite que ambas tiendan a uno.
Qué se iguala
El resultado de la aproximación, no las funciones completas.
No se escribe una igualdad entre los dos cocientes.
En el paso de Cauchy la derivada se evalúa en c, no forzosamente en x.
Ver el punto intermedio en una potencia
f(x)=x², g(x)=x y a=0.
Cociente de cambios
f(x)/g(x)=x para x≠0.Cociente de derivadas
f′(c)/g′(c)=2c.Punto que sirve
c=x/2 queda entre cero y x y da 2c=x.
Ambos límites son cero.
En la entrada x las funciones x y 2x suelen ser distintas.
4. Repetir solo si el nuevo problema lo permite
Después de una aplicación nos detenemos a calcular el nuevo límite. Si ya tiene denominador de límite no nulo, se termina. Si vuelve a aparecer 0/0 o ∞/∞, revisamos las hipótesis de la nueva pareja antes de otra aplicación.
Conserva una línea por cada paso: forma inicial, cociente de derivadas y nueva forma. Así no se deriva una vez de más ni se oculta una condición que dejó de cumplirse.
Dos pasos y después parar
(e^(2x)−1−2x)/x² cuando x→0.
Primera forma
Es 0/0. Derivamos las partes: (2e^(2x)−2)/(2x).
Otra vez
Sigue siendo 0/0; la nueva derivada del denominador es dos y no se anula.
Segunda aplicación
4e^(2x)/2→2.El denominador ya no tiende a cero.
El límite es dos.
No se vuelve a derivar el denominador constante dos.
Una aplicación suficiente
(e^(3x)−1)/(2x) cuando x→0.
Forma
0/0 con derivabilidad y denominador no nulo fuera de cero.
Derivar las partes
3e^(3x)/2.
Evaluar
El nuevo límite es 3/2 por continuidad.
Se termina en 3/2.
No es necesario que el cociente derivado también sea indeterminado.
5. Un producto o una resta necesitan transformarse primero
L’Hôpital se aplica a cocientes. Para un producto de tipo 0·∞ podemos escribir u·v=v/(1/u) donde u≠0. Después volvemos a identificar la forma y las hipótesis.
Una diferencia ∞−∞ puede pedir denominador común o conjugados. No se derivan por separado dos términos infinitos para restarlos. A veces la transformación algebraica resuelve todo y la regla deja de ser necesaria.
El producto x ln x cerca de cero positivo
Estudiar x ln x cuando x→0⁺.
Transformar
x ln x=ln x/(1/x), con x>0.Forma y derivadas
Es −∞/+∞; el cociente de derivadas es (1/x)/(−1/x²)=−x.Cerrar
−x→0, luego el producto original tiende a cero.
El límite es cero, desde valores negativos.
La positividad de x mantiene definido el logaritmo.
Un conjugado que evita derivar
√(x²+4)−x cuando x→+∞.
Forma
La resta es ∞−∞.
Conjugado
Multiplicamos por el conjugado y obtenemos 4/(√(x²+4)+x).
Resultado
El denominador tiende a +∞, así que el cociente tiende a cero.
El límite es cero sin L’Hôpital.
No se restan las derivadas de los dos términos para decidir esta resta.
6. Potencias: tomar logaritmos y volver al final
Las etiquetas 1^∞, 0⁰ e ∞⁰ avisan de que hay que comparar el exponente con el logaritmo de la base.
Estudiamos primero v ln u, a veces convirtiéndolo en cociente. Si su límite es A, el de la potencia es eᴬ; si es +∞ o −∞, la potencia tiende respectivamente a +∞ o cero. Nunca dejamos como respuesta el logaritmo si nos pedían la potencia.
Una base que llega a uno
(1+3x)^(1/x) cuando x→0.
Dominio y logaritmo
Cerca de cero la base es positiva; ln y=ln(1+3x)/x.Cociente
Es 0/0; las derivadas dan 3/(1+3x)→3.Regresar
y=exp(ln y)→e³.
El límite es e³.
La respuesta tres pertenece al logaritmo, no a la potencia.
Base y exponente van a cero
xˣ cuando x→0⁺.
Logaritmo
ln y=x ln x.Límite anterior
Ese producto tiende a cero.
Exponenciar
y→e⁰=1.
El límite es uno.
No se ha asignado un valor general a la operación formal 0⁰.
Una potencia de tipo infinito elevado a cero
x^(1/ln x) cuando x→+∞, con x>1.
Logaritmo
ln y=(ln x)/(ln x).Simplificar donde existe
Ese cociente es uno para todo x>1.Volver
La potencia es exactamente e en toda esa cola.
El límite es e.
Aquí no hace falta L’Hôpital: la identidad resuelve el logaritmo.
7. Un intento fallido no demuestra que no haya límite
La regla tiene dirección: si se cumplen sus hipótesis y converge el cociente derivado, obtenemos el límite original. Si el cociente derivado oscila, no podemos invertir la afirmación y negar el límite original.
También puede aparecer un límite sencillo al derivar una fracción sin indeterminación. Ese cálculo no está autorizado como aplicación del teorema: hay que volver a la expresión original.
El original converge y el derivado no
(x+sinx)/x cuando x→+∞.
Original
Es 1+sinx/x; el segundo sumando está acotado en módulo por 1/x.
Límite
Por emparedado, el original tiende a uno.
Intento de regla
Las derivadas dan 1+cosx, que oscila entre cero y dos.
El intento no decide, pero el límite original sí existe.
La ausencia de límite derivado no se traslada al original.
Una derivación que cambia la respuesta
(x²+1)/(x+1) cuando x→1.
Forma real
Numerador y denominador tienden a dos: no es indeterminación.
Límite correcto
Dos entre dos da uno.
Contraste
Las derivadas darían 2x/1→2, que no es el límite pedido.
No se puede aplicar la regla en este caso.
El diagnóstico se hace antes de derivar.
8. Escoger la herramienta y no usar una prueba circular
Primero prueba continuidad, factorización, conjugados o comparación de grados según la forma. Si eliges L’Hôpital, registra las hipótesis y el límite del cociente derivado que permite concluir.
Las derivadas de seno y coseno se suelen construir usando antes lim sinx/x=1. Reutilizarlas después para calcular ese límite es una aplicación válida de reglas ya establecidas, pero no una demostración inicial independiente. En las funciones trigonométricas usamos radianes.
Una factorización más breve
(x²−9)/(x−3) cuando x→3.
Forma
La sustitución muestra 0/0.
Factorizar
En x≠3 se simplifica a x+3.Límite
La expresión vecina tiende a seis.
El límite es seis.
L’Hôpital también serviría, pero no hace falta añadir hipótesis de derivación a esta cuenta.
El seno como aplicación posterior
sin(4x)/x cuando x→0, con la derivada trigonométrica ya establecida.
Forma
0/0 y condiciones válidas fuera de cero.
Derivadas
4cos(4x)/1→4.Comprobación independiente
También sin(4x)/x=4·sin(4x)/(4x), usando el límite geométrico previo.
El límite es cuatro.
No se usa esta cuenta como fundamento de la derivada del seno.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Cero entre cero
Calcula lim(x→0)(e^x−1)/x.
Leer la forma
Al acercarse x a cero, eˣ−1→0 y x→0.Es 0/0.
Comprobar el entorno
La exponencial y x son derivables en ambos lados de cero; x no se anula en las entradas usadas.
Comprobar el denominador derivado
Su derivada es uno, siempre no nula.
Derivar cada parte
El nuevo cociente es eˣ/1, sin usar la regla de derivada de una fracción.
Calcular y transferir
eˣ/1→1 por ambos lados, luego el cociente original también tiende a uno.
Comprobar el significado
Es el cociente incremental de eˣ en cero; coincide con su derivada allí.
Límite 1.
Coincide con la derivada de e^x en cero.
EJEMPLO RESUELTO 2
Infinito entre infinito
Calcula lim(x→∞)log x/x.
Declarar la notación
Aquí log x es el logaritmo natural ln x, como en los ejercicios del tema; x>0.
Leer la forma
Cuando x→+∞, tanto ln x como x tienden a +∞.Revisar hipótesis
En la cola x>1 las funciones son derivables, el denominador no se anula y su derivada es uno.
Formar el cociente derivado
(1/x)/1=1/x.Calcular el nuevo límite
1/x→0, por lo que ln x/x→0.Interpretar
El logaritmo crece sin cota, pero su razón con x se hace arbitrariamente pequeña. No hemos afirmado que ln x tienda a cero.
Límite 0.
El logaritmo crece más despacio que x.
Los símbolos que hemos usado
- f,g
- Numerador y denominador del cociente cuyo límite se estudia.
- f′/g′
- Cociente de derivadas, distinto de la derivada de f/g.
- 0/0
- Forma indeterminada: ambos límites parciales son cero.
- ∞/∞
- Forma en que ambos miembros divergen en magnitud.
- L
- Límite del cociente de derivadas, real o infinito.
- log x=ln x
- Convención de logaritmo natural utilizada en los ejercicios de este tema.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
Practicar este tema →