2.1: Límites
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
Antes de que realmente empecemos, recordemos alguna notación útil.
- Nes el conjunto{1,2,3,⋯} de todos los números naturales.
- Res el conjunto de todos los números reales.
- ∈se lee “es un elemento de”.
- ∉se lee “no es un elemento de”.
- {A|B}se lee “el conjunto de todosA tales queB”
- SiS es un conjunto yT es un subconjunto deS, entoncesS∖T es{x∈S|x∉T}, el conjuntoS con los elementos deT eliminado. En particular, siS es un conjunto ya es un elemento deS, entoncesS∖{a}={x∈S|x≠ a} es el conjuntoS con el elementoa eliminado.
- Sin es un número natural,Rn se utiliza tanto para el conjunto de vectoresn⟨x1,x2,⋯,xn⟩ -componente como para el conjunto de puntos(x1,x2,⋯,xn) conn coordenadas.
- SiS yT son conjuntos, entoncesf:S→T significa quef es una función que asigna a cada elemento deS un elemento deT. El conjuntoS se llama el dominio def.
-
\ begin {alinear*}
[a, b] =\ izquierda\ {x\ in\ mathbb {R} |a\ le x\ le b\ derecha\} &&
(a, b] =\ izquierda\ {x\ in\ mathbb {R} |a\ lt x\ le b\ derecha\}\\
[a, b) =\ izquierda\ {x\ en\ mathbb {R} |a\ le x\ lt b\ derecha\} &&
(a, b) =\ izquierda\ {x\ in\ mathbb {R} |a\ lt x\ lt b\ derecha\}
\ final {alinear*}
La definición del límite de una función de más de una variable se parece a la definición 1 del límite de una función de una variable. Muy a grandes rasgos
lim→x→→af(→x)=L
sif(→x) se→x acercaL cada vez que se acerca→a. Aquí hay una definición más cuidadosa de límite.
Let
- myn ser números naturales 2
- →a∈Rm
- la funciónf(→x) se define para todos los→x cerca de 3→a y tomar valores enRn
- L∈Rn
Escribimos
lim→x→→af(→x)=L
si 4 el valor de la funciónf(→x) está seguro de estar arbitrariamente cerca deL siempre que el valor de→x esté lo suficientemente cerca→a, sin que 5 sea exactamente→a.
Ahora que hemos ampliado la definición de límite, podemos extender la definición de continuidad.
Let
- myn ser números naturales
- →a∈Rm
- la funciónf(→x) se define para todos los valores→x cercanos→a y tomar enRn
- La funciónf es continua en un punto→a si
lim→x→→af(→x)=f(→a)
- La funciónf es continua en un conjuntoD si es continua en cada punto deD.
Aquí hay algunos ejemplos muy simples. Habrá algunos ejemplos más sustanciales más adelante —después, como hicimos en el texto CLP-1, construimos algunas herramientas que se pueden utilizar para construir límites complicados a partir de otros más simples.
- Sif(x,y) es la función constante que siempre toma el valorL, entonces
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=L
- Sif:R2→R2 se define porf(x,y)=(x,y), entonces
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=(a,b)
- Por definición, como(x,y) enfoques(a,b),x enfoquesa yy enfoquesb, para que sif:R2→R se define paraf(x,y)=x, entonces
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=a
Del mismo modo, sig:R2→R se define porg(x,y)=y, entonceslim(x,y)→(a,b)g(x,y)=b
Los límites de las funciones multivariables tienen las mismas propiedades computacionales que los límites de funciones de una variable. El siguiente teorema resume un montón de ellos. Por simplicidad, se refiere principalmente a funciones valoradas reales. Es decir, funciones que dan salida a números reales a diferencia de vectores. Sin embargo, sí contiene una función valorada por vector. La funciónX en el teorema toma como entrada un vectorn -component y devuelve un vectorm -component. No vamos a tratar con muchas funciones valoradas por vectores aquí en CLP-3, pero veremos mucho en CLP-4.
Let
- myn ser números naturales
- →a∈Rmy→b∈Rn
- Dser un subconjunto deRm que contiene todos los→x∈Rm que están cerca→a
- c,F,G∈R
y
f,g:D∖{→a}→RX:Rm∖{→b}→D∖{→a}γ:R→R
Supongamos que
lim→x→→af(→x)=Flim→x→→ag(→x)=Glim→y→→bX(→y)=→alimt→Fγ(t)=γ(F)
Entonces
- lim→x→→a[f(→x)+g(→x)]=F+G
lim→x→→a[f(→x)−g(→x)]=F−G
- lim→x→→af(→x)g(→x)=FG
lim→x→→acf(→x)=cF
- lim→x→→af(→x)g(→x)=FGsiG≠0
- lim→y→→bf(X(→y))=F
- lim→x→→aγ(f(→x))=γ(F)
Esto demuestra que los límites multivariables interactúan muy bien con la aritmética, tal como lo hicieron los límites de una sola variable. Recordemos también, del Teorema 1.6.8 en el texto CLP-1,
Las siguientes funciones son continuas en todas partes en sus dominios
- polinomios, funciones racionales
- raíces y poderes
- funciones trigonales y sus inversos
- exponencial y el logaritmo
En este ejemplo evaluamos
lim(x,y)→(2,3)x+sinyx2y2+1
como una aplicación típica del Teorema 2.1.5. Aquí “a=” significa que la parte (a) del Teorema 2.1.5 justifica esa igualdad. Comience por computar por separado los límites del numerador y denominador.
lim(x,y)→(2,3)(x+siny) a=lim(x,y)→(2,3)x+lim(x,y)→(2,3)sinye=lim(x,y)→(2,3)x+sin(lim(x,y)→(2,3)y)= 2+sin3lim(x,y)→(2,3)(x2y2+1) a= lim(x,y)→(2,3)x2y2+lim(x,y)→(2,3)1b= (lim(x,y)→(2,3)x)(lim(x,y)→(2,3)x)(lim(x,y)→(2,3)y)(lim(x,y)→(2,3)y)+1= 2232+1
Dado que el límite del denominador es distinto de cero, simplemente podemos dividir.
lim(x,y)→(2,3)x+sinyx2y2+1 c= lim(x,y)→(2,3)(x+siny)lim(x,y)→(2,3)(x2y2+1)= 2+sin337
Aquí hemos utilizado quesinx es una función continua.
Si bien la Definición 1.3.3 del texto CLP-1 del límite de una función de una variable, y nuestra Definición 2.1.2 del límite de una función multivariable parecen prácticamente idénticas, existe una diferencia práctica sustancial entre las dos. En la dimensión uno, puedes acercarte a un punto desde la izquierda o desde la derecha y eso es todo. Sólo hay dos posibles direcciones de aproximación. En dos o más dimensiones hay “mucho más espacio” y hay infinitamente muchos tipos posibles de aproximación. Incluso uno puede entrar en espiral hasta un punto. Vea las figuras del medio y de la mano derecha a continuación.
Los siguientes ejemplos ilustran el impacto que el “espacio extra” en dimensiones mayores a uno tiene en los límites.
Como segundo ejemplo, consideramoslim(x,y)→(0,0)x2yx2+y2. En este ejemplo, tanto el numerador, como el denominador,x2y,x2+y2, tienden a cero a medida que se(x,y) aproxima(0,0), por lo que hay que tener más cuidado.
Una buena manera de ver el comportamiento de una funciónf(x,y) cuando(x,y) está cerca(0,0) es cambiar a las coordenadas polares,r,θ, que están definidas por
x=rcosθy=rsinθ
Los puntos(x,y) que están cerca(0,0) son aquellos con pequeñosr, independientemente de lo queθ sea. Recordemos quelim(x,y)→(0,0)f(x,y)=L cuando se(x,y) acercaL comof(x,y) enfoques(0,0). Sustituir porx=rcosθ,y=rsinθ esa afirmación la convierte en la afirmación de quelim(x,y)→(0,0)f(x,y)=L cuando sef(rcosθ,rsinθ) acercaL comor enfoques0. Para nuestro ejemplo actual
x2yx2+y2=(rcosθ)2(rsinθ)r2=rcos2θsinθ
Como|rcos2θsinθ|≤r tiende a0 lo quer tiende a0 (independientemente de lo queθ hace lo quer tiende a0) tenemos
lim(x,y)→(0,0)x2yx2+y2=0
Como tercer ejemplo, consideramoslim(x,y)→(0,0)x2−y2x2+y2. Una vez más, la mejor manera de ver el comportamiento def(x,y)=x2−y2x2+y2 for(x,y) close to(0,0) es cambiar a coordenadas polares.
f(x,y)=x2−y2x2+y2=(rcosθ)2−(rsinθ)2r2=cos2θ−sin2θ=cos(2θ)
Tenga en cuenta que, esta vez,f es independienter pero depende deθ. Aquí hay un boceto muy magnificado de una serie de curvas de nivel paraf(x,y).
Observe que
- como(x,y) se acerca(0,0) a lo largo del rayo con2θ=30∘,f(x,y) aproximaciones al valor√32 (y de hechof(x,y) toma el valorcos(30∘)=√32 en cada punto de ese rayo)
- como(x,y) se acerca(0,0) a lo largo del rayo con2θ=60∘,f(x,y) aproximaciones al valor12 (y de hechof(x,y) toma el valorcos(60∘)=12 en cada punto de ese rayo)
- como(x,y) se acerca(0,0) a lo largo del rayo con2θ=90∘,f(x,y) aproximaciones al valor0 (y de hechof(x,y) toma el valorcos(90∘)=0 en cada punto de ese rayo)
- y así sucesivamente
Por lo que no hay un solo númeroL tal quef(x,y) se acerqueL comor=|(x,y)|→0, sin importar cuál sea la dirección de aproximación. El límitelim(x,y)→(0,0)x2−y2x2+y2 no existe.
Aquí hay otra manera de llegar a la misma conclusión.
- Elige cualquier número positivo realmente pequeño. Vamos a usar10−137 como ejemplo.
- Elige cualquier número realF entre−1 y Lo1. usaremosF=√32 como ejemplo.
- Mirando el boceto anterior, vemos quef(x,y) toma el valorF a lo largo de un rayo enteroθ=const,r>0. En el caso de queF=√32, el rayo sea2θ=30∘,r>0. En particular, porque el rayo se extiende todo el camino para(0,0),f tomar el valorF para algunos(x,y) obedecer|(x,y)|<10−137.
- Eso es cierto independientemente del número realmente pequeño que hayas elegido. Entoncesf(x,y)=x2−y2x2+y2 no se acerca a ningún valor único comor=|(x,y)| enfoques0 y concluimos quelim(x,y)→(0,0)x2−y2x2+y2 no existe.
Opcional: un límite desagradable que no existe
En este ejemplo estudiamos el comportamiento de la función
f(x,y)={(2x−y)2x−yif x≠y0if x=y
as(x,y)→(0,0). Aquí hay una gráfica de la curva de nivel,f(x,y)=−3, para esta función.
Aquí hay una gráfica más grande de curvas de nivel,f(x,y)=c, para varios valores de la constantec.
Como antes, ayuda a convertir a coordenadas polares —es un buen acercamiento 6. En coordenadas polares
f(rcosθ,rsinθ)={r(2cosθ−sinθ)2cosθ−sinθif cosθ≠sinθ0if cosθ=sinθ
Si nos acercamos al origen a lo largo de cualquier rayo fijoθ=const, entoncesf(rcosθ,rsinθ) son los tiempos constantes(2cosθ−sinθ)2cosθ−sinθ (o0 ifcosθ=sinθ)r y así se acerca a cero a medida que ser acerca a cero. Esto se puede ver en la siguiente figura, que muestra de nuevo las curvas de nivel, con los rayosθ=18π yθ=316π superpuestas.
Si te mueves hacia el origen en cualquiera de esos rayos, primero cruzas laf=3 curva def=2 nivel, luego la curva def=1 nivel, luego la curva def=12 nivel, y así sucesivamente.
Quef(x,y)→0 como(x,y)→(0,0) a lo largo de cualquier rayo fijo es sugerente, pero no implica que el límite exista y sea cero. Recordemos que para tenerlim(x,y)→(0,0)f(x,y)=0, necesitamosf(x,y)→0 no importa cómo(x,y)→(0,0). No es suficiente comprobar sólo los enfoques de línea recta.
De hecho, el límite def(x,y) como(x,y)→(0,0) no existe. Una buena manera de ver esto es observar que si arreglasr>0, alguna por pequeña que sea,f(x,y) toma todos los valores de−∞ a+∞ en el círculox2+y2=r2. Puedes ver esto en la siguiente figura, que muestra las curvas de nivel una vez más, con un círculox2+y2=r2 superpuesto. Por cada uno−∞<c<∞, la curva de nivelf(x,y)=c cruza el círculo.
En consecuencia no hay un númeroL tal quef(x,y) esté cercaL cuando(x,y) esté lo suficientemente cerca de(0,0). El límitelim(x,y)→(0,0)f(x,y) no existe.
Otra forma de ver quef(x,y) no tiene ningún límite como(x,y)→(0,0) es mostrar quef(x,y) no tiene un límite como(x,y) aproximaciones(0,0) a lo largo de alguna curva específica. Esto se puede hacer escogiendo una curva que haga que el denominador,x−y, tienda a cero muy rápidamente. Una de esas curvas esx−y=x3 o, equivalentemente,y=x−x3. A lo largo de esta curva, parax≠0,
f(x,x−x3)=(2x−x+x3)2x−x+x3=(x+x3)2x3=(1+x2)2x⟶{+∞as x→0 with x>0−∞as x→0 with x<0
La elección del poder específico nox3 es importante. Cualquier poderxp conp>2 tendrá el mismo efecto.
Si enviamos(x,y) a(0,0) lo largo de la curvax−y=ax2 o, equivalentemente,y=x−ax2, dondea es una constante distinta de cero,
limx→0f(x,x−ax2)=limx→0(2x−x+ax2)2x−x+ax2=limx→0(x+ax2)2ax2=limx→0(1+ax)2a=1a
Este límite depende de la elección de la constantea. Una vez más, esto demuestra quef(x,y) no tiene un límite como(x,y)→(0,0).
Ejercicios
Etapa 1
Supongamos quef(x,y) es una función tal quelim(x,y)→(0,0)f(x,y)=10.
Verdadero o falso:|f(0.1,0.1)−10|<|f(0.2,0.2)−10|
Una piedra de molino libra el trigo en harina. El trigo se sienta en una cuenca, y la piedra de molino libra arriba y abajo.
Se toman muestras de trigo de diversos lugares a lo largo de la cuenca. Se miden sus diámetros y se registra su posición en la cuenca.
Considera esta afirmación: “A medida que las partículas se acercan mucho a la piedra de molino, los diámetros de las partículas se acercan a los 50μ m”. En este contexto, describa las variables a continuación de la Definición 2.1.2.
- x
- a
- L
Letf(x,y)=x2x2+y2.
- Encuentra un rayo acercándose al origen a lo largo del cualf(x,y)=1.
- Encuentra un rayo acercándose al origen a lo largo del cualf(x,y)=0.
- ¿Qué muestra el trabajo anterior sobre un límite def(x,y)?
Letf(x,y)=x2−y2
- Expresar la función en términos de las coordenadas polaresr yθ, y simplificar.
- Supongamos que(x,y) es una distancia de 1 desde el origen. ¿Cuáles son los valores más grandes y más pequeños def(x,y)?
- Letr>0. Supongamos(x,y) es una distancia der desde el origen. ¿Cuáles son los valores más grandes y más pequeños def(x,y)?
- Dejeϵ>0. Encontrar un valor positivo der que garantice|f(x,y)|<ϵ siempre que(x,y) sea a lo sumor unidades desde el origen.
- ¿Qué acabas de mostrar?
Supongamos quef(x,y) es un polinomio. Evaluarlim(x,y)→(a,b)f(x,y), dónde(a,b)∈R2.
Etapa 2
Evaluar, si es posible,
- lim(x,y)→(2,−1) (xy+x2)
- lim(x,y)→(0,0) xx2+y2
- lim(x,y)→(0,0) x2x2+y2
- lim(x,y)→(0,0) x3x2+y2
- lim(x,y)→(0,0) x2y2x2+y4
- lim(x,y)→(0,0) (sinx)(ey−1)xy
✳
- Encuentra el límite:lim(x,y)→(0,0)x8+y8x4+y4.
- Demostrar que no existe el siguiente límite:lim(x,y)→(0,0)xy5x8+y10.
✳
Evalúe cada uno de los siguientes límites o demuestre que no existe.
- lim(x,y)→(0,0)x3−y3x2+y2
- lim(x,y)→(0,0)x2−y4x2+y4
Etapa 3
✳
Evalúe cada uno de los siguientes límites o demuestre que no existe.
- lim(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2
- lim(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2
Definir, para todos(x,y)≠(0,0),f(x,y)=x2yx4+y2.
- Let0\le \theta \lt 2\pi\text{.} Compute\displaystyle\lim_{r\rightarrow 0^+}f(r\cos\theta,r\sin\theta)\text{.}
- Compute\displaystyle\lim_{x\rightarrow 0}f(x,x^2)\text{.}
- ¿\displaystyle\lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}f(x,y)Existe?
✳
Calcular los siguientes límites o explicar por qué no existen.
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x
- Definición 1.3.3 en el texto CLP-1.
- En este texto, nos interesarám,n\in\big\{1,2,3\big\}\text{,} pero la definición funciona para todos los números naturalesm,n\text{.}
- Para ser precisos, hay un númeror\gt 0 tal quef(\vec{x}) se define para todos los que\vec{x} obedecen|\vec{x}-\vec{a}|\lt r\text{.}
- Existe una versión precisa y formal de esta definición que se parece a la Definición 1.7.1 del texto CLP-1.
- Puede encontrar la condición “sin ser exactamente\vec{a}” un poco extraña, pero hay una buena razón para ello, que ya hemos visto en Cálculo I. En la definiciónf'(x) = \lim\limits_{x\rightarrow a} \frac{f(x)-f(a)}{x-a}\text{,} la función cuyo límite se está tomando,\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\text{,} es decir, no se define en absoluto enx=a\text{.} Esto volverá a suceder cuando definimos derivadas de funciones de más de una variable.
- No solo un juego de palabras.