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2.10: Apéndice - Límites

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La idea intuitiva detrás de los límites es relativamente simple. Aún así, en el siglo XIX los matemáticos estaban perturbados por la falta de rigor, por lo que se pusieron a poner límites y análisis en firme con minuciosas definiciones y pruebas. En este apéndice te damos la definición formal y la conectamos con la idea intuitiva. En 18.04 no vamos a necesitar este nivel de formalidad. Aún así, es agradable saber que los cimientos son sólidos, y algunos estudiantes pueden encontrar esto interesante.

Límites de Secuencias

Intuitivamente, decimos que una secuencia de números complejosz1,z2,... converge aa si por grandesn,zn es realmente cercana aa. Para ser un poco más precisos, si ponemos un pequeño círculo de radioϵ alrededora entonces eventualmente la secuencia debería permanecer dentro del círculo. Vamos a referirnos a esto como la secuencia que está siendo capturada por el círculo. Esto tiene que ser cierto para cualquier círculo por pequeño que sea, aunque puede tomar más tiempo para que la secuencia sea 'capturada' por un círculo más pequeño.

Esto se ilustra en la Figura2.10.1. La secuencia se ensartó a lo largo de la curva que se muestra dirigiéndose haciaa. El círculo de radio más grandeϵ2 captura la secuencia en el momenton=47, el círculo más pequeño no la captura hastan=59. Tenga en cuenta quez25 está dentro del círculo más grande, pero como los puntos posteriores están fuera del círculo no decimos que la secuencia se captura enn=25.

2.11.1!. svg
Figura2.10.1: Una secuencia de puntos convergentes aa. (CC BY-NC; Ümit Kaya)
Definición

La secuenciaz1,z2,z3,... converge al valora si por cadaϵ>0 hay un númeroNϵ tal que|zna|<ϵ para todosn>Nϵ. Escribimos esto como

limnzn=a.

Nuevamente, la definición solo dice que eventualmente la secuencia está dentroϵ dea, por pequeña que elijasϵ.

Ejemplo2.10.1

Demostrar que la secuenciazn=(1/n+i)2 tiene límite -1.

Solución

Esto es claro porque1/n0. Para la práctica, expresémoslo en términos de épsilones: dadoϵ>0 tenemos que elegirNϵ tal que

|zn(1)|<ϵ for all n>Nϵ

Una estrategia es mirar|zn+1| y ver queNϵ debería ser. Tenemos

|zn(1)|=|(1n+i)2+1|=|1n2+2in|<1n2+2n

Así que todo lo que tenemos que hacer es escoger lo suficientementeNϵ grande como para

1N2ϵ+2Nϵ<ϵ

Ya que esto se puede hacer claramente lo hemos demostradozni.

Esto fue claramente más trabajo del que queremos hacer por cada límite. Afortunadamente, ¡la mayoría de las veces podemos aplicar reglas generales para determinar un límite sin recurrir a épsilones!

Observaciones

  1. En 18.04 podremos detectar el límite de la mayoría de los ejemplos concretos de secuencias. La definición formal es necesaria cuando se trata abstractamente de secuencias.
  2. Para los matemáticosϵ es uno de los símbolos de referencia para un número pequeño. El destacado y bastante excéntrico matemático Paul Erdos solía referirse a los niños como épsilones, como en '¿Cómo están los épsilones?'
  3. El término 'capturado por el círculo' no es de uso común, pero sí capta lo que está sucediendo.

limzz0f(z)

A veces necesitamos límites de la formalimzz0f(z)=a. Nuevamente, el significado intuitivo es claro: comoz se acerca az0 nosotros deberíamos verf(z) acercarse aa. Aquí está la definición técnica

Definición

Supongamos quef(z) se define en un disco perforado0<|zz0|<r alrededorz0. Decimoslimzz0f(z)=a si por cadaϵ>0 hayδ tal que

|f(z)a|<ϵsiempre que0<|zz0|<δ

Esto dice exactamente que a medida quez se acerca (dentroδ) az0 lo que tenemosf(z) está cerca (conϵ) aa. Ya que seϵ pueden hacer tan pequeños como queramos,f(z) debemos ir aa.

Observaciones

  1. Usar el disco perforado (también llamado vecindario eliminado) significa quef(z) no tiene que definirse enz0 y, si es entoncesf(z0) no necesariamente iguala. Sif(z0)=a entonces decimos que elf es continuo enz0.
  2. Pídele a cualquier matemático que complete la frase “Por cadaϵ" y lo más probable es que responda “hay unδ...”

Conexión entre límites de secuencias y límites de funciones

Aquí hay una forma equivalente de definir límites de funciones: el límitelimzz0f(z)=a si, por cada secuencia de puntos{zn} con límitez0 la secuencia{f(zn)} tiene límitea.


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