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Bachillerato

Teorema del emparedado y límites por acotación

Una función puede moverse demasiado para calcular su límite directamente. Si conseguimos encerrarla entre dos bordes que llegan al mismo sitio, sabemos adónde llega también. Primero veremos qué significa ese encierro y luego cómo construirlo sin tener que seguir cada oscilación.

Si necesitas repasar:

1. Dos bordes cierran el espacio disponible

Piensa en una altura f(x) encerrada entre una altura inferior g(x) y otra superior h(x): g(x)≤f(x)≤h(x). No basta con que ocurra en algunos puntos de una tabla: debe ocurrir para todas las entradas suficientemente próximas al punto, salvo el propio punto.

Una amplitud que se cierra controla todos los picos
La oscilación queda encerradax²−x²−x² ≤ x²sen(1/x) ≤ x²Ambos bordes llegan a 0.No necesitamos el límite del seno.
La curva azul x cuadrado por seno de uno entre x se mantiene entre las parábolas verdes más y menos x cuadrado. Las escalas horizontal y vertical son iguales, ciento cincuenta unidades de dibujo por unidad real. Se muestra una ventana finita; el argumento no depende de dibujar todos los picos: el módulo del seno nunca supera uno, así que el módulo del producto no supera x cuadrado. Aunque no se asigne valor en cero, las cotas obligan al límite cero. La línea del dibujo une aproximaciones numéricas y no representa los infinitos picos individuales cerca del origen.

Si las dos cotas tienden al mismo número L cuando x→a, la altura intermedia también tiende a L. Las funciones pueden no estar definidas en a. En un límite lateral solo usamos entradas de ese lado; en infinito, entradas de una cola suficientemente alejada.

Llegar a tres sin conocer la fórmula intermedia

Cerca de x=2 sabemos 3−(x−2)²≤f(x)≤3+(x−2)².

  1. Leer los bordes

    El término (x−2)² se acerca a cero por los dos lados.

  2. Límite de cada uno

    La cota inferior y la superior tienden ambas a tres.

  3. Encerrar

    Ninguna salida intermedia puede quedarse alejada de tres cuando el hueco se cierra.

Resultado

El límite de f en dos es tres.

Lo comprobamos

No se ha supuesto f(2)=3 ni siquiera que exista f(2).

Una afirmación local no tiene que valer siempre

Solo sabemos −x²≤f(x)≤x² cuando 0<|x|<0,1.

  1. Lugar

    El encierro cubre todas las entradas no nulas de ese entorno.

  2. Bordes

    −x² y x² tienden a cero.

  3. Decisión

    Lo que ocurra fuera de ese intervalo no cambia el límite en cero.

Resultado

El límite es cero.

Lo comprobamos

Una condición en unos pocos valores aislados no habría sido suficiente.

2. La prueba: cualquier margen de error acaba siendo suficiente

Elegimos una tolerancia ε>0 alrededor de L.

El límite de la cota inferior da una distancia δ₁ para quedar por encima de L−ε; el de la superior da otra δ₂ para quedar por debajo de L+ε.

Un intervalo de entradas garantiza la tolerancia de salida
Elegimos primero el error permitidoQueremos |f(x)| < ε.Sabemos |f(x)| ≤ x².−√ε√ε0Elegimos δ=√ε.0<|x|<δ ⇒ x²<εLa cota sirve para todos esos x.
Para cualquier tolerancia positiva épsilon, el control del módulo por x cuadrado permite elegir delta igual a raíz de épsilon. Todas las entradas no nulas entre menos raíz de épsilon y raíz de épsilon satisfacen x cuadrado menor que épsilon, y por tanto el error de salida también es menor. El esquema no afirma que delta sea una constante universal: depende de la tolerancia elegida antes. El punto cero se excluye de la condición de límite. Si la cota solo se conoce en un entorno de radio r, también se toma el mínimo de r y raíz de épsilon.
Tomamos δ=min(δ₁,δ₂).

Así el mismo x sirve para las dos garantías: L−ε<g(x)≤f(x)≤h(x)<L+ε.

Por tanto |f(x)−L|<ε.

Como podemos hacerlo para cualquier ε, eso es precisamente el límite.

Convertir el dibujo en una distancia concreta

Si |f(x)|≤x², garantizar error menor que 0,01.

  1. Objetivo

    Queremos |f(x)|<0,01.
  2. Basta controlar la cota

    x²<0,01 equivale a |x|<0,1.
  3. Garantía uniforme

    Todo x no nulo con |x|<0,1 cumple la tolerancia, no solo el primer valor probado.

Resultado

Podemos elegir δ=0,1.

Lo comprobamos

Si el encierro solo vale en un entorno menor, se toma también ese radio como restricción.

Una tolerancia cualquiera

Para |f(x)−5|≤3|x−2|, elegir δ.

  1. Objetivo

    3|x−2|<ε.
  2. Elegir

    δ=ε/3, o el mínimo con el radio donde valga la cota.

  3. Comprobar

    0<|x−2|<δ implica |f(x)−5|≤3|x−2|<ε.
Resultado

El límite en dos es cinco.

Lo comprobamos

La tolerancia se elige antes; δ depende de ella.

3. Controlar el módulo equivale a controlar arriba y abajo

El módulo |f(x)−L| mide la distancia de la salida a L. Si está por debajo de una cantidad no negativa u(x) que tiende a cero, el error también desaparece.

La misma información se escribe L−u(x)≤f(x)≤L+u(x).

Esta versión suele ahorrar una cota por cada lado y funciona aunque la expresión cambie de signo.

Una perturbación que no cambia el límite

f(x)=4+x²cos(7/x), x≠0, cuando x→0.

  1. Separar la salida esperada

    f(x)−4=x²cos(7/x).
  2. Módulo

    |f(x)−4|≤x² porque |cos t|≤1.
  3. Cerrar el error

    x²→0, luego la distancia a cuatro desaparece.
Resultado

El límite es cuatro.

Lo comprobamos

La frecuencia 7/x no cambia la cota del coseno.

Una cota que obliga a un único valor

|f(x)+2|≤|x−1| cerca de uno.

  1. Identificar el centro

    f(x)+2=f(x)−(−2).
  2. Cota positiva

    |x−1| es no negativa y tiende a cero.

  3. Concluir

    La salida se acerca a menos dos.

Resultado

El límite es −2.

Lo comprobamos

Una cantidad negativa no puede servir como cota superior de un módulo no negativo.

4. La amplitud se hace pequeña aunque la fase siga oscilando

En a(x)sin b(x), la fase b(x) decide en qué entradas aparecen los picos. La amplitud |a(x)| decide qué altura máxima pueden tener. Siempre |a(x)sin b(x)|≤|a(x)|, en las entradas donde la fase esté definida.

Si la amplitud tiende a cero, basta esa cota. No usamos la ley del producto de dos límites cuando el seno no tiene límite: usamos una desigualdad válida para todos sus valores.

Cambiar la fase no rompe el encierro

x²sin(1/x²) cuando x→0, x≠0.

  1. Separar

    La amplitud es x²; la fase es 1/x².

  2. Acotar

    |x²sin(1/x²)|≤x².
  3. Límite

    La cota tiende a cero, por lo que el producto también.

Resultado

El límite es cero.

Lo comprobamos

No afirmamos que 1/x² ni su seno tengan límite finito.

Otra velocidad de amplitud

√|x|·cos(2/x) cuando x→0.

  1. Dominio

    La raíz está definida para todo x y la fase exige x≠0.

  2. Cota

    El módulo del producto no supera √|x|.

  3. Cerrar

    √|x|→0 por ambos lados.
Resultado

El límite es cero.

Lo comprobamos

La raíz crece más que x² cerca de cero, pero también desaparece.

5. Un factor acotado y otro que desaparece

No hace falta un seno. Si existe un número fijo M con |v(x)|≤M en todo el entorno usado y u(x)→0, entonces |u(x)v(x)|≤M|u(x)|→0.

La palabra fijo importa: una cota que crece sin control con x no proporciona esta garantía. Al multiplicar desigualdades por una cantidad de signo desconocido cambia el sentido si es negativa; usar módulos evita ese problema.

Una función escalonada también sirve

v(x) vale uno si x es racional y menos uno si es irracional. Estudiar x·v(x) en cero.

  1. Tamaño

    Siempre |v(x)|=1, aunque v no se estabilice cerca de cero.
  2. Producto

    |xv(x)|=|x|.
  3. Encierro

    La cota tiende a cero.

Resultado

El producto tiene límite cero.

Lo comprobamos

Estar acotada no hace continua a v ni le da límite.

Una cota que no es uniforme no basta

u(x)=x y v(x)=1/x para x≠0.

  1. Primer factor

    x→0.
  2. Segundo

    No existe una constante M que acote |1/x| cerca de cero.

  3. Producto real

    x·(1/x)=1, que no tiende a cero.
Resultado

Falla la hipótesis de factor acotado.

Lo comprobamos

No se puede sustituir M por 1/|x| y seguir diciendo que M|x|→0.

6. Por qué el límite del seno necesita radianes

En el círculo unidad, para 0<x<π/2 en radianes, un triángulo interior, el sector y el triángulo exterior tienen áreas sinx/2, x/2 y tanx/2.

Su inclusión da sinx≤x≤tanx.

Como x, sinx y cosx son positivos en ese intervalo, se obtiene cosx≤sinx/x≤1. Ambos bordes tienden a uno. El cociente sinx/x es par, así que el mismo límite vale por la izquierda. Este fundamento no usa la derivada del seno.

El encaje que da uno

Estudiar sinx/x cuando x→0.

  1. Lado positivo

    El argumento de áreas deja cosx≤sinx/x≤1.
  2. Límite

    La continuidad geométrica del coseno en cero hace coincidir los bordes en uno.

  3. Lado negativo

    sin(−x)/(−x)=sinx/x: mismo resultado.
Resultado

El límite es uno en radianes.

Lo comprobamos

No se evaluó el cociente en cero.

Si el número representa grados

Sea s(t)=sin(πt/180), el seno del ángulo t grados. Hallar s(t)/t en cero.

  1. Cambiar de unidad

    u=πt/180.
  2. Reescribir

    s(t)/t=(π/180)·sinu/u.
  3. Aplicar el límite ya probado

    sinu/u→1.
Resultado

El límite es π/180.

Lo comprobamos

El valor uno se refiere al argumento numérico en radianes.

7. Una franja ancha no demuestra convergencia

Saber −1≤sin(1/x)≤1 no obliga a una única llegada: las dos cotas siguen separadas. Una función puede estar acotada y continuar oscilando.

Para demostrar que no hay límite, buscamos dos sucesiones de entradas que lleguen al mismo punto y produzcan salidas distintas. Aquí tomamos entradas que hagan al ángulo una vuelta completa más π/2, o más 3π/2.

Dos caminos por el lado positivo

Comparar xₙ=1/(π/2+2πn) e yₙ=1/(3π/2+2πn), n≥0.

  1. Entradas

    Las dos sucesiones positivas tienden a cero.

  2. Salidas

    sin(1/xₙ)=1; sin(1/yₙ)=−1.
  3. Incompatibilidad

    Un único límite no puede ser a la vez uno y menos uno.

Resultado

sin(1/x) no tiene límite en cero.

Lo comprobamos

Las dos familias ya refutan incluso el límite derecho.

Un encierro verdadero que aún no responde

1≤f(x)≤3 cerca de cero.

  1. Lo que sabemos

    Todas las alturas están entre uno y tres.

  2. Dos posibilidades

    f(x)=2 cumple; f(x)=2+sin(1/x) también cumple para x≠0.
  3. Diferencia

    La primera converge; la segunda no, por las dos sucesiones anteriores.

Resultado

La información no determina si existe límite.

Lo comprobamos

Una cota útil debe acercar ambos bordes o controlar un error que desaparezca.

8. Para crecer sin cota puede bastar un solo borde

Si f(x)≥g(x) y g(x)→+∞, para superar cualquier altura basta que la supere la cota inferior.

Así f(x)→+∞.
Análogamente f≤h y h→−∞ obligan a f→−∞.

Al buscar cotas, primero declara el entorno, después separa la parte de tamaño controlado y finalmente comprueba que los bordes sirvan para el mismo tipo de llegada: bilateral, lateral o en infinito.

Una oscilación que no impide crecer

f(x)=x+sin(x²), cuando x→+∞.

  1. Cota

    Como el seno es mayor o igual que menos uno, f(x)≥x−1.

  2. Borde

    x−1→+∞.
  3. Transferir

    Toda altura prefijada acaba siendo superada también por f.

Resultado

El límite es +∞.

Lo comprobamos

No se exige que las oscilaciones desaparezcan: el borde inferior crece.

Una divergencia bilateral negativa

f(x)=−1/x²+cos(1/x), x→0.

  1. Cota superior

    f(x)≤−1/x²+1.
  2. Borde

    −1/x²+1→−∞ por ambos lados.
  3. Concluir

    La función no puede quedarse por encima de ninguna altura finita.

Resultado

El límite es −∞.

Lo comprobamos

El coseno está definido en las entradas no nulas que usamos.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Oscilación controlada

Calcula lim(x→0)x² sin(1/x).

  1. Leer la llegada

    Buscamos el comportamiento en entradas cercanas a cero, con x≠0.

  2. Separar factores

    x² mide la amplitud; sin(1/x) puede seguir oscilando.

  3. Usar una desigualdad global

    −1≤sin(1/x)≤1.
  4. Multiplicar sin cambiar el orden

    x²≥0, así que −x²≤x²sin(1/x)≤x².
  5. Calcular los bordes

    Ambos tienden a cero cuando x→0.
  6. Concluir

    Por emparedado, el límite es cero. No se necesita asignar una salida en cero.

Resultado

Límite 0.

Lo comprobamos

El seno no necesita tener límite por sí solo.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una raíz acotada

Calcula lim(x→0)|x|cos(1/x).

  1. Localizar el dominio

    La fase 1/x exige x≠0; |x| está definida a ambos lados.

  2. Acotar el factor oscilante

    |cos(1/x)|≤1.
  3. Controlar el producto

    ||x|cos(1/x)|≤|x|.
  4. Elegir bordes

    −|x|≤|x|cos(1/x)≤|x|.
  5. Límite de las cotas

    Tanto −|x| como |x| tienden a cero.

  6. Concluir y verificar

    El límite bilateral es cero; para error ε basta 0<|x|<ε.

Resultado

Límite 0.

Lo comprobamos

También −|x|≤f≤|x|.

Los símbolos que hemos usado

f(x)
Función cuyo límite se quiere conocer.
g(x),h(x)
Cotas inferior y superior de f cerca del punto considerado.
L
Valor finito común de los límites de ambas cotas.
ε
Tolerancia positiva sobre el error de la salida.
δ
Distancia positiva suficiente de la entrada al punto límite.
M
Cota constante no negativa para el módulo de una función.

Ahora te toca a ti.

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

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