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4.6: Límites al infinito y asíntotas

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

Objetivos de aprendizaje
  • Calcular el límite de una función a medida quex aumenta o disminuye sin límite.
  • Reconocer una asíntota horizontal en la gráfica de una función.
  • Estimar el comportamiento final de una función a medida quex aumenta o disminuye sin límite.
  • Reconocer una asíntota oblicua en la gráfica de una función.
  • Analizar una función y sus derivadas para dibujar su gráfica.

Hemos mostrado cómo usar la primera y segunda derivada de una función para describir la forma de una gráfica. Para graficar una funciónf definida en un dominio ilimitado, también necesitamos conocer el comportamiento def asx±. En esta sección, definimos límites al infinito y mostramos cómo estos límites afectan la gráfica de una función. Al final de esta sección, esbozamos una estrategia para graficar una función arbitrariaf.

Comenzamos examinando lo que significa para una función tener un límite finito en el infinito. Luego estudiamos la idea de una función con un límite infinito en el infinito. De vuelta en Introducción a Funciones y Gráficas, observamos asíntotas verticales; en esta sección tratamos asíntotas horizontales y oblicuas.

Límites en el infinito y asíntotas horizontales

Recordemos quelimxaf(x)=L los mediosf(x) se vuelven arbitrariamente cercanos aL siempre y cuandox esté suficientemente cerca dea. Podemos extender esta idea a límites al infinito. Por ejemplo, considere la funciónf(x)=2+1x. Como se puede observar gráficamente en la Figura4.6.1 y numéricamente en la Tabla4.6.1, a medida que los valores de sex hacen mayores, los valores def(x) aproximación2. Decimos el límite comox aproximaciones def(x) es2 y escribimoslimxf(x)=2. De igual manera, parax<0, a medida que los valores se|x| hacen mayores, los valores def(x) aproximación2. Decimos el límite comox aproximaciones def(x) es2 y escribimoslimxf(x)=2.

Se grafica la función f (x) 2 + 1/x. La función comienza negativa cerca de y = 2 pero luego disminuye a −∞ cerca de x = 0. La función luego disminuye desde ∞ cerca de x = 0 y se acerca a y = 2 a medida que x aumenta. Hay una línea horizontal que denota la asíntota y = 2.
Figura: La4.6.1 función se acerca a la asíntota a medida que sey=2 aproximax.±
Tabla4.6.1: Valores de una funciónf comox±
x 10 100 1,000 10,000
2+1x 2.1 2.01 2.001 2.0001
x −10 −100 −1000 −10,000
2+1x 1.9 1.99 1.999 1.9999

De manera más general, para cualquier funciónf, decimos que el límite a partirx def(x) esL sif(x) se vuelve arbitrariamente cercano aL siempre y cuandox sea suficientemente grande. En ese caso, escribimoslimxf(x)=L. De igual manera, decimos que el límite a partirx def(x) esL sif(x) se vuelve arbitrariamente cercano alL tiempox<0 y|x| es suficientemente grande. En ese caso, escribimoslimxf(x)=L. Ahora nos fijamos en la definición de una función que tiene un límite en el infinito.

Definición: Límite al Infinito (Informal)

Si los valores def(x) llegar a ser arbitrariamente cercanos aL comox se vuelve suficientemente grande, decimos que la funciónf tiene un límite en el infinito y escribimos

limxf(x)=L.

Si los valores def(x) se vuelven arbitrariamente cercanos aL forx<0 como|x| se vuelve suficientemente grande, decimos que la funciónf tiene un límite en el infinito negativo y escribimos

limxf(x)=L.

Si los valoresf(x) se acercan arbitrariamente a algún valor finitoL comox ox, la gráfica def se acerca a la líneay=L. En ese caso, la líneay=L es una asíntota horizontal def (Figura4.6.2). Por ejemplo, para la funciónf(x)=1x, ya quelimxf(x)=0, la líneay=0 es una asíntota horizontal def(x)=1x.

La figura se divide en dos figuras etiquetadas como a y b. La figura a muestra una función f (x) acercándose pero nunca tocando una línea discontinua horizontal etiquetada como L desde arriba. La figura b muestra una función f (x) acercándose pero nunca una línea discontinua horizontal etiquetada M desde abajo.
Figura4.6.2: (a) Asx, los valores def se acercan arbitrariamente aL. La líneay=L es una asíntota horizontal def. b) Comox, los valores def se acercan arbitrariamente aM. La líneay=M es una asíntota horizontal def.
Definición: Asíntota horizontal

Silimxf(x)=L olimxf(x)=L, decimos que la líneay=L es una asíntota horizontal def.

Una función no puede cruzar una asíntota vertical porque la gráfica debe acercarse al infinito (o) desde al menos una dirección cuando sex acerca a la asíntota vertical. Sin embargo, una función puede cruzar una asíntota horizontal. De hecho, una función puede cruzar una asíntota horizontal un número ilimitado de veces. Por ejemplo, la funciónf(x)=cosxx+1 mostrada en la Figura4.6.3 cruza la asíntota horizontaly=1 un número infinito de veces a medida que oscila alrededor de la asíntota con amplitud siempre decreciente.

Se muestra la función f (x) = (cos x) /x + 1. Disminuye de (0, ∞) y luego procede a oscilar alrededor de y = 1 con amplitud decreciente.
Figura4.6.3: La gráfica def(x)=(cosx)/x+1 cruza su asíntota horizontaly=1 un número infinito de veces.

Las leyes algebraicas de límite y el teorema de squeeze que introdujimos en Introducción a los límites también se aplican a los límites al infinito. Ilustramos cómo usar estas leyes para computar varios límites al infinito.

Ejemplo4.6.1: Computing Limits at Infinity

Para cada una de las siguientes funcionesf, evaluarlimxf(x) ylimxf(x). Determinar las asíntotas horizontales paraf.

  1. f(x)=52x2
  2. f(x)=sinxx
  3. f(x)=tan1(x)

Solución

a. Usando las leyes de límite algebraico, tenemos

limx(52x2)=limx52(limx1x)(limx1x)=520=5.

De igual manera,limxf(x)=5. Por lo tanto,f(x)=52x2 tiene una asíntota horizontaly=5 yf se acerca a esta asíntota horizontalx± como se muestra en la siguiente gráfica.

Se grafica la función f (x) = 5 — 2/x2. La función se acerca a la asíntota horizontal y = 5 a medida que x se acerca a ±∞.
Figura4.6.4: Esta función se aproxima a una asíntota horizontal comox±.

b. ya que1sinx1 para todosx, tenemos

1xsinxx1x

para todosx0. También, desde

limx1x=0=limx1x,

podemos aplicar el teorema squeeze para concluir que

limxsinxx=0.

Del mismo modo,

limxsinxx=0.

Así,f(x)=sinxx tiene una asíntota horizontaly=0 yf(x) se acerca a esta asíntota horizontalx± como se muestra en la siguiente gráfica.

Se muestra la función f (x) = (sin x) /x. Tiene un máximo global en (0, 1) y luego procede a oscilar alrededor de y = 0 con amplitud decreciente.
Figura4.6.5: Esta función cruza su asíntota horizontal varias veces.

c. Evaluarlimxtan1(x) ylimxtan1(x), primero consideramos la gráfica dey=tan(x) sobre el intervalo\left(−\frac{π}{2},\frac{π}{2}\right) como se muestra en la siguiente gráfica.

Se muestra la función f (x) = tan x. Aumenta desde (−π/2, −∞), pasa por el origen y luego aumenta hacia (π/2, ∞). Hay líneas discontinuas verticales marcando x = ±π/2.
Figura\PageIndex{6}: La gráfica dey=\tan x tiene asíntotas verticales enx=±\frac{π}{2}

Desde

\displaystyle \lim_{x→\tfrac{π}{2}^−}\tan x=∞,

se deduce que

\displaystyle \lim_{x→∞}\tan^{−1}(x)=\frac{π}{2}.

Del mismo modo, dado que

\displaystyle \lim_{x→-\tfrac{π}{2}^+}\tan x=−∞,

se deduce que

\displaystyle \lim_{x→−∞}\tan^{−1}(x)=−\frac{π}{2}.

Como resultado,y=\frac{π}{2} yy=−\frac{π}{2} son asíntotas horizontales def(x)=\tan^{−1}(x) como se muestra en la siguiente gráfica.

Se muestra la función f (x) = tan−1 x. Aumenta desde (−∞, −π/2), pasa por el origen y luego aumenta hacia (∞, π/2). Hay líneas discontinuas horizontales marcando y = ±π/2.
Figura\PageIndex{7}: Esta función tiene dos asíntotas horizontales.
Ejercicio\PageIndex{1}

Evaluar\displaystyle \lim_{x→−∞}\left(3+\frac{4}{x}\right) y\displaystyle \lim_{x→∞}\left(3+\dfrac{4}{x}\right). Determinar las asíntotas horizontales def(x)=3+\frac{4}{x}, si las hubiere.

Pista

\displaystyle \lim_{x→±∞}\frac{1}{x}=0

Contestar

Ambos límites son3. La líneay=3 es una asíntota horizontal.

Límites infinitos en el infinito

A veces los valores de una funciónf se vuelven arbitrariamente grandes comox→∞ (o comox→−∞). En este caso, escribimos\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=∞ (o\displaystyle \lim_{x→−∞}f(x)=∞). Por otro lado, si los valores def son negativos pero llegan a ser arbitrariamente grandes en magnitud comox→∞ (o comox→−∞), escribimos\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=−∞ (o\displaystyle \lim_{x→−∞}f(x)=−∞).

Por ejemplo, considere la funciónf(x)=x^3. Como se ve en Tabla\PageIndex{2} y Figura\PageIndex{8}, a medidax→∞ que los valoresf(x) se vuelven arbitrariamente grandes. Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}x^3=∞. Por otro lado, asx→−∞, los valores def(x)=x^3 son negativos pero llegan a ser arbitrariamente grandes en magnitud. En consecuencia,\displaystyle \lim_{x→−∞}x^3=−∞.

Tabla\PageIndex{2}: Valores de una función de potencia comox→±∞
x 10 20 50 100 1000
x^3 1000 8000 125,000 1,000,000 1,000,000,000
x −10 −20 −50 −100 −1000
x^3 −1000 −8000 −125.000 −1,000,000 −1,000,000,000
Se grafica la función f (x) = x3. Es evidente que esta función se acerca rápidamente al infinito a medida que x se acerca al infinito.
Figura\PageIndex{8}: Para esta función, los valores funcionales se acercan al± infinito comox→±∞.
Definición: Límite Infinito en el Infinito (Informal)

Decimos que una funciónf tiene un límite infinito en el infinito y escribimos

\lim_{x→∞}f(x)=∞. \nonumber

sif(x) se vuelve arbitrariamente grande parax suficientemente grande. Decimos que una función tiene un límite infinito negativo en el infinito y escribimos

\lim_{x→∞}f(x)=−∞. \nonumber

sif(x)<0 y|f(x)| se vuelve arbitrariamente grande parax suficientemente grande. Del mismo modo, podemos definir límites infinitos comox→−∞.

Definiciones formales

Anteriormente, utilizamos los términos arbitrariamente cerca, arbitrariamente grandes y suficientemente grandes para definir límites al infinito de manera informal. Aunque estos términos proporcionan descripciones precisas de los límites en el infinito, no son matemáticamente precisos. Aquí hay definiciones más formales de límites en el infinito. Luego analizamos cómo usar estas definiciones para probar resultados que involucran límites en el infinito.

Definición: Límite al infinito (Formal)

Decimos que una funciónf tiene un límite al infinito, si existe un número realL tal que para todosε>0, existeN>0 tal que

|f(x)−L|<ε \nonumber

para todosx>N. en ese caso, escribimos

\lim_{x→∞}f(x)=L \nonumber

Se grafica la función f (x), y tiene una asíntota horizontal en L. L está marcada en el eje y, al igual que L + y L —. En el eje x, N se marca como el valor de x de tal manera que f (x) = L +.
Figura\PageIndex{9}: Para una función con límite al infinito, para todosx>N, |f(x)−L|<ε.

Anteriormente en esta sección, se utilizó evidencia gráfica en Figura\PageIndex{1} y evidencia numérica en Tabla\PageIndex{1} para concluir que\displaystyle \lim_{x→∞}\left(2+\frac{1}{x}\right)=2. Aquí utilizamos la definición formal de límite al infinito para probar rigurosamente este resultado.

Ejemplo\PageIndex{2}:

Utilizar la definición formal de límite al infinito para demostrarlo\displaystyle \lim_{x→∞}\left(2+\frac{1}{x}\right)=2.

Solución

Vamosε>0. a dejarN=\frac{1}{ε}. Por lo tanto, para todosx>N, tenemos

\left|2+\frac{1}{x}−2\right|=\left|\frac{1}{x}\right|=\frac{1}{x}<\frac{1}{N}=ε \nonumber

Ejercicio\PageIndex{2}

Utilizar la definición formal de límite al infinito para demostrarlo\displaystyle \lim_{x→∞}\left(3-\frac{1}{x^2}\right)=3.

Insinuación

VamosN=\frac{1}{\sqrt{ε}}.

Contestar

Vamosε>0. a dejarN=\frac{1}{\sqrt{ε}}. Por lo tanto, por todox>N, lo que tenemos

\Big|3−\frac{1}{x^2}−3\Big|=\frac{1}{x^2}<\frac{1}{N^2}=ε \nonumber

Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}(3−1/x^2)=3.

Ahora dirigimos nuestra atención a una definición más precisa para un límite infinito en el infinito.

Definición: Límite infinito en el infinito (Formal)

Decimos que una funciónf tiene un límite infinito en el infinito y escribir

\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=∞

si por todosM>0, existeN>0 tal que

f(x)>M

para todosx>N (ver Figura\PageIndex{10}).

Decimos que una función tiene un límite infinito negativo en el infinito y escribimos

\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=−∞

si por todosM<0, existeN>0 tal que

f(x)<M

para todosx>N.

Del mismo modo podemos definir límites comox→−∞.

Se grafica la función f (x). Continúa aumentando rápidamente después de x = N, y f (N) = M.
Figura\PageIndex{10}: Para una función con un límite infinito en el infinito, para todosx>N,\; f(x)>M.

Anteriormente, se utilizó evidencia gráfica (Figura\PageIndex{8}) y evidencia numérica (Tabla\PageIndex{2}) para concluir que\displaystyle \lim_{x→∞}x^3=∞. Aquí utilizamos la definición formal de límite infinito al infinito para probar ese resultado.

Ejemplo\PageIndex{3}

Usa la definición formal de límite infinito en el infinito para demostrar que\displaystyle \lim_{x→∞}x^3=∞.

Solución

VamosM>0. a dejarN=\sqrt[3]{M}. Entonces, para todosx>N, tenemos

x^3>N^3=(\sqrt[3]{M})^3=M.

Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}x^3=∞.

Ejercicio\PageIndex{3}

Usa la definición formal de límite infinito en el infinito para demostrar que\displaystyle \lim_{x→∞}3x^2=∞.

Insinuación

VamosN=\sqrt{\frac{M}{3}}.

Contestar

VamosM>0. a dejarN=\sqrt{\frac{M}{3}}. Entonces, por todox>N, lo que tenemos

3x^2>3N^2=3\left(\sqrt{\frac{M}{3}}\right)^2=\frac{3M}{3}=M

Comportamiento final

El comportamiento de una función comox→±∞ se llama el comportamiento final de la función. En cada uno de los extremos de la función, la función podría exhibir uno de los siguientes tipos de comportamiento:

  1. La funciónf(x) se aproxima a una asíntota horizontaly=L.
  2. La funciónf(x)→∞ of(x)→−∞.
  3. La función no se acerca a un límite finito, ni se acerca ni−∞. En este caso, la función puede tener algún comportamiento oscilatorio.

Consideremos varias clases de funciones aquí y veamos los diferentes tipos de comportamientos finales para estas funciones.

Comportamiento final para funciones polinomiales

Considere la función powerf(x)=x^n donden es un entero positivo. De Figura\PageIndex{11} y Figura\PageIndex{12}, vemos que

\lim_{x→∞}x^n=∞;\;n=1,2,3,… \nonumber

y

\lim_{x→−∞}x^n=\begin{cases}∞, & n=2,4,6,…\\−∞, & n=1,3,5,….\end{cases} \nonumber

Las funciones x2, x4 y x6 están graficadas, y es evidente que a medida que el exponente crece las funciones aumentan más rápidamente.
Figura\PageIndex{11}: Para funciones de potencia con una potencia uniformen,\displaystyle \lim_{x→∞}x^n=∞=\lim_{x→−∞}x^n.
Se grafican las funciones x, x3 y x5, y es evidente que a medida que crece el exponente, las funciones aumentan más rápidamente.
Figura\PageIndex{12}: Para funciones de potencia con una potencia imparn,\displaystyle \lim_{x→∞}x^n=∞ y\displaystyle \lim_{x→−∞}x^n=−∞.

Utilizando estos hechos, no es difícil de evaluar\displaystyle \lim_{x→∞}cx^n y\displaystyle \lim_{x→−∞}cx^n, dondec está cualquier constante yn es un entero positivo. Sic>0, la gráfica dey=cx^n es un estiramiento vertical o compresión dey=x^n, y por lo tanto

\displaystyle \lim_{x→∞}cx^n=\lim_{x→∞}x^ny\displaystyle \lim_{x→−∞}cx^n=\lim_{x→−∞}x^n sic>0.

Sic<0, la gráfica dey=cx^n es un estiramiento vertical o compresión combinada con una reflexión alrededor delx eje, y por lo tanto

\displaystyle \lim_{x→∞}cx^n=−\lim_{x→∞}x^ny\displaystyle \lim_{x→−∞}cx^n=−\lim_{x→−∞}x^n sic<0.

Sic=0,y=cx^n=0, en cuyo caso\displaystyle \lim_{x→∞}cx^n=0=\lim_{x→−∞}cx^n.

Ejemplo\PageIndex{4}: Limits at Infinity for Power Functions

Para cada funciónf, evaluar\displaystyle \lim_{x→∞}f(x) y\displaystyle \lim_{x→−∞}f(x).

  1. f(x)=−5x^3
  2. f(x)=2x^4

Solución

  1. Dado que el coeficiente dex^3 es−5, la gráfica def(x)=−5x^3 implica un estiramiento vertical y reflexión de la gráfica dey=x^3 alrededor delx eje -eje. Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}(−5x^3)=−∞ y\displaystyle \lim_{x→−∞}(−5x^3)=∞.
  2. Dado que el coeficiente dex^4 es2, la gráfica def(x)=2x^4 es un estiramiento vertical de la gráfica dey=x^4. Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}2x^4=∞ y\displaystyle \lim_{x→−∞}2x^4=∞.
Ejercicio\PageIndex{4}

Vamosf(x)=−3x^4. Encuentra\displaystyle \lim_{x→∞}f(x).

Insinuación

El coeficiente−3 es negativo.

Contestar

−∞

Ahora vemos cómo los límites en el infinito para las funciones de potencia se pueden usar\displaystyle \lim_{x→±∞}f(x) para determinar para cualquier función polinómicaf. Considerar una función polinómica

f(x)=a_nx^n+a_{n−1}x^{n−1}+…+a^1x+a^0 \nonumber

de gradon≥1 para quea_n≠0.

Factoring, vemos que

f(x)=a_nx^n\left(1+\frac{a_{n−1}}{a_n}\frac{1}{x}+…+\frac{a_1}{a_n}\frac{1}{x^{n−1}}+\frac{a_0}{a_n}\frac{1}{x^n}\right). \nonumber

Comox→±∞, todos los términos dentro de los paréntesis se acercan a cero excepto el primer término. Concluimos que

\lim_{x→±∞}f(x)=\lim_{x→±∞}a_nx^n. \nonumber

Por ejemplo, la funciónf(x)=5x^3−3x^2+4 se comportag(x)=5x^3x→±∞ como se muestra en Figura\PageIndex{13} y Tabla\PageIndex{3}.

Se trazan ambas funciones f (x) = 5x3 — 3x2 + 4 y g (x) = 5x3. Su comportamiento para grandes números positivos y grandes negativos converge.
Figura\PageIndex{13}: El comportamiento final de un polinomio está determinado por el comportamiento del término con el mayor exponente.
Tabla\PageIndex{3}: El comportamiento final de un polinomio está determinado por el término con el mayor exponente
x 10 100 1000
f(x)=5x^3−3x^2+4 4704 4,970,004 4,997,000,004
g(x)=5x^3 5000 5,000,000 5,000,000,000
x −10 −100 −000
f(x)=5x^3−3x^2+4 −5296 −5.029.996 −5,002,999,996
g(x)=5x^3 −5000 −5,000,000 −5,000,000,000

Comportamiento final para funciones algebraicas

El comportamiento final para funciones racionales y funciones que involucran radicales es un poco más complicado que para polinomios. En Ejemplo\PageIndex{5}, mostramos que los límites al infinito de una función racionalf(x)=\dfrac{p(x)}{q(x)} dependen de la relación entre el grado del numerador y el grado del denominador. Para evaluar los límites al infinito para una función racional, dividimos el numerador y el denominador por el poder más alto dex aparecer en el denominador. Esto determina qué término en la expresión general domina el comportamiento de la función a grandes valores dex.

Ejemplo\PageIndex{5}: Determining End Behavior for Rational Functions

Para cada una de las siguientes funciones, determine los límites comox→∞ yx→−∞. Luego, use esta información para describir el comportamiento final de la función.

  1. f(x)=\dfrac{3x−1}{2x+5}(Nota: El grado del numerador y el denominador son los mismos.)
  2. f(x)=\dfrac{3x^2+2x}{4x^3−5x+7}(Nota: El grado de numerador es menor que el grado del denominador.)
  3. f(x)=\dfrac{3x^2+4x}{x+2}(Nota: El grado del numerador es mayor que el grado del denominador.)

Solución

a. El poder más alto dex en el denominador esx. Por lo tanto, dividiendo el numerador y el denominador porx y aplicando las leyes de límite algebraicas, vemos que

\begin{align*} \lim_{x→±∞}\frac{3x−1}{2x+5} &=\lim_{x→±∞}\frac{3−1/x}{2+5/x} \\[4pt] &=\frac{\lim_{x→±∞}(3−1/x)}{\lim_{x→±∞}(2+5/x)} \\[4pt] &=\frac{\lim_{x→±∞}3−\lim_{x→±∞}1/x}{\lim_{x→±∞}2+\lim_{x→±∞}5/x} \\[4pt] &=\frac{3−0}{2+0}=\frac{3}{2}. \end{align*}

Ya que\displaystyle \lim_{x→±∞}f(x)=\frac{3}{2}, sabemos quey=\frac{3}{2} es una asíntota horizontal para esta función como se muestra en la siguiente gráfica.

Un par de gráficas curvas. El primero comienza en el lado izquierdo de la figura, donde es casi plana con valor Y 3 sobre 2, luego se dobla a casi vertical, dejando la parte superior de la figura en X es igual a 5 mitades negativas. La otra curva se eleva casi verticalmente desde la parte inferior en X es igual a 5 mitades negativas, se nivela y se vuelve casi horizontal a la derecha con un valor Y cerca de 3 mitades
Figura\PageIndex{14}: La gráfica de esta función racional se aproxima a una asíntota horizontal comox→±∞.

b. Dado que el mayor poder dex aparecer en el denominador esx^3, dividir el numerador y el denominador porx^3. Después de hacerlo y aplicar leyes de límite algebraico, obtenemos

\lim_{x→±∞}\frac{3x^2+2x}{4x^3−5x+7}=\lim_{x→±∞}\frac{3/x+2/x^2}{4−5/x^2+7/x^3}=\frac{3\cdot 0+2\cdot 0}{4−5\cdot 0+7\cdot 0}=\frac{0}{4}=0. \nonumber

Por lo tanto,f tiene una asíntota horizontal dey=0 como se muestra en la siguiente gráfica.

La función f (x) = (3x2 + 2x)/(4x2 — 5x + 7) se traza como es su asíntota horizontal en y = 0.
Figura\PageIndex{15}: La gráfica de esta función racional se aproxima a la asíntota horizontaly=0 comox→±∞.

c. Dividiendo el numerador y el denominador porx, tenemos

\displaystyle \lim_{x→±∞}\frac{3x^2+4x}{x+2}=\lim_{x→±∞}\frac{3x+4}{1+2/x}. \nonumber

Comox→±∞, se acerca el denominador1. Comox→∞, se acerca el numerador+∞. Comox→−∞, se acerca el numerador−∞. Por lo tanto\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=∞, mientras que\displaystyle \lim_{x→−∞}f(x)=−∞ como se muestra en la siguiente figura.

Se grafica la función f (x) = (3x2 + 4x)/(x + 2). Parece tener una asíntota diagonal así como una asíntota vertical en x = −2.
Figura\PageIndex{16}: Asx→∞, los valoresf(x)→∞. Comox→−∞, los valoresf(x)→−∞.
Ejercicio\PageIndex{5}

Evaluar\displaystyle \lim_{x→±∞}\frac{3x^2+2x−1}{5x^2−4x+7} y utilizar estos límites para determinar el comportamiento final def(x)=\dfrac{3x^2+2x−1}{5x^2−4x+7}.

Insinuación

Dividir el numerador y el denominador porx^2.

Contestar

\frac{3}{5}

Antes de continuar, considere la gráfica de quef(x)=\dfrac{3x^2+4x}{x+2} se muestra en la Figura\PageIndex{16}. Comox→∞ yx→−∞, la gráfica def aparece casi lineal. Aunque ciertamente nof es una función lineal, ahora investigamos por qué la gráfica def parece estar acercándose a una función lineal. Primero, usando división larga de polinomios, podemos escribir

f(x)=\frac{3x^2+4x}{x+2}=3x−2+\frac{4}{x+2}. \nonumber

Ya que\dfrac{4}{x+2}→0 comox→±∞, concluimos que

\lim_{x→±∞}(f(x)−(3x−2))=\lim_{x→±∞}\frac{4}{x+2}=0. \nonumber

Por lo tanto, la gráfica def se acerca a la líneay=3x−2 comox→±∞. Esta línea es conocida como asíntota oblicua paraf (Figura\PageIndex{17}).

La función f (x) = (3x2 + 4x)/(x + 2) se traza como es su asíntota diagonal y = 3x — 2.
Figura\PageIndex{17}: La gráfica de la función racionalf(x)=(3x^2+4x)/(x+2) se aproxima a la asíntota oblicuay=3x−2 comox→±∞.

Podemos resumir los resultados de Ejemplo\PageIndex{5} para hacer la siguiente conclusión con respecto al comportamiento final para funciones racionales. Considerar una función racional

f(x)=\frac{p(x)}{q(x)}=\frac{a_nx^n+a_{n−1}x^{n−1}+…+a_1x+a_0}{b_mx^m+b_{m−1}x^{m−1}+…+b_1x+b_0},\nonumber

dóndea_n≠0 yb_m≠0.

  1. Si el grado del numerador es el mismo que el grado del denominador(n=m), entoncesf tiene una asíntota horizontal dey=a_n/b_m comox→±∞.
  2. Si el grado del numerador es menor que el grado del denominador(n<m), entoncesf tiene una asíntota horizontal dey=0 asx→±∞.
  3. Si el grado del numerador es mayor que el grado del denominador(n>m), entoncesf no tiene una asíntota horizontal. Los límites en el infinito son infinitos positivos o negativos, dependiendo de los signos de los términos principales. Además, usando división larga, la función se puede reescribir comof(x)=\frac{p(x)}{q(x)}=g(x)+\frac{r(x)}{q(x)}, \nonumber donde el grado der(x) es menor que el grado deq(x). Como resultado,\displaystyle \lim_{x→±∞}r(x)/q(x)=0. Por lo tanto, los valores de[f(x)−g(x)] aproximación a cero comox→±∞. Si el grado dep(x) es exactamente uno más que el grado deq(x) (es decir,n=m+1), la funcióng(x) es una función lineal. En este caso, llamamosg(x) asíntota oblicua.

Ahora consideremos el comportamiento final para funciones que involucran a un radical.

Ejemplo\PageIndex{6}: Determining End Behavior for a Function Involving a Radical

Encuentre los límites comox→∞ yx→−∞ paraf(x)=\dfrac{3x−2}{\sqrt{4x^2+5}} y describa el comportamiento final def.

Solución

Usemos la misma estrategia que hicimos para las funciones racionales: dividir el numerador y el denominador por un poder dex. Para determinar el poder apropiado dex, considere la expresión\sqrt{4x^2+5} en el denominador. Desde

\sqrt{4x^2+5}≈\sqrt{4x^2}=2|x| \nonumber

para grandes valores dex en efectox aparece justo a la primera potencia en el denominador. Por lo tanto, dividimos el numerador y el denominador por|x|. Luego, usando el hecho de que|x|=xx>0, |x|=−x parax<0, y|x|=\sqrt{x^2} para todosx, calculamos los límites de la siguiente manera:

\ [\ begin {alinear*}\ lim_ {x→∞}\ frac {3x−2} {\ sqrt {4x^2+5}} &=\ lim_ {x→∞}\ frac {(1/|x|) (3x−2)} {(1/|x|)\ sqrt {4x^2+5}}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→∞}\ frac {(1/x) (3x−2)} {\ sqrt {(1/x^2) (4x^2+5)}}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→∞}\ frac {3−2/x} {\ sqrt {4+5/x^2}} =\ frac {3} {\ sqrt {4}} =\ frac {3} 2}\ final {alinear*}\]

\ [\ begin {alinear*}\ lim_ {x→−∞}\ frac {3x−2} {\ sqrt {4x^2+5}} &=\ lim_ {x→−∞}\ frac {(1/|x|) (3x−2)} {(1/|x|)\ sqrt {4x^2+5}}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→→→−∞}\ frac {(−1/x) (3x−2)} {\ sqrt {(1/x^2) (4x^2+5)}}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−∞}\ frac {−3+2/x} {\ sqrt {4+5/x^2}} =\ frac {−3} {\ sqrt {4}} =\ frac {−3} {2}. \ end {alinear*}\]

Por lo tanto,f(x) se acerca a la asíntota horizontaly=\frac{3}{2} comox→∞ y a la asíntota horizontaly=−\frac{3}{2}x→−∞ como se muestra en la siguiente gráfica.

Se traza la función f (x) = (3x − 2)/(la raíz cuadrada de la cantidad (4x2 + 5)). Tiene dos asíntotas horizontales a y = ±3/2, y cruza y = −3/2 antes de converger hacia ella desde abajo.
Figura\PageIndex{18}: Esta función tiene dos asíntotas horizontales y cruza una de las asíntotas.
Ejercicio\PageIndex{6}

Evaluar\displaystyle \lim_{x→∞}\frac{\sqrt{3x^2+4}}{x+6}.

Insinuación

Dividir el numerador y el denominador porx.

Contestar

\sqrt{3}

Determinación del Comportamiento Final para Funciones Trascendentales

Las seis funciones trigonométricas básicas son periódicas y no se acercan a un límite finito ya quex→±∞. Por ejemplo,\sin x oscila entre 1 y −1 (Figura\PageIndex{19}). La función tangentex tiene un número infinito de asíntotas verticales ya quex→±∞; por lo tanto, no se acerca a un límite finito ni se acerca±∞x→±∞ como se muestra en la Figura\PageIndex{20}.

Se grafica la función f (x) = sin x.
Figura\PageIndex{19}: La funciónf(x)=\sin x oscila entre1 y−1 comox→±∞
Se grafica la función f (x) = tan x.
Figura\PageIndex{20}: La funciónf(x)=\tan x no se acerca a un límite y no se acerca±∞ comox→±∞

Recordemos que para cualquier baseb>0,\; b≠1, la funcióny=b^x es una función exponencial con dominio(−∞,∞) y rango(0,∞). Sib>1,\;y=b^x está aumentando sobre(−∞,∞). Si0<b<1, \; y=b^x es decreciente sobre(−∞,∞). Para la función exponencial naturalf(x)=e^x, \; e≈2.718>1. Por lo tanto,f(x)=e^x está aumentando(−∞,∞) y el rango es(0,∞). La función exponencialf(x)=e^x se aproxima comox→∞ y se aproxima0x→−∞ como se muestra en Tabla\PageIndex{4} y Figura\PageIndex{21}.

Tabla\PageIndex{4}: Comportamiento final de la función exponencial natural
x −5 −2 0 2 5
e^x 0.00674 0.135 1 7.389 148.413
Se grafica la función f (x) = ex.
Figura\PageIndex{21}: La función exponencial se aproxima a cero comox→−∞ y se acerca comox→∞.

Recordemos que la función logaritmo naturalf(x)=\ln(x) es la inversa de la función exponencial naturaly=e^x. Por lo tanto, el dominio def(x)=\ln(x) es(0,∞) y el rango es(−∞,∞). La gráfica def(x)=\ln(x) es el reflejo de la gráfica dey=e^x alrededor de la líneay=x. Por lo tanto,\ln(x)→−∞ comox→0^+ y\ln(x)→∞x→∞ como se muestra en la Figura\PageIndex{22} y Tabla\PageIndex{5}.

Tabla\PageIndex{5}: Comportamiento final de la función logaritmo natural
x 0.01 0.1 1 10 100
\ln(x) −4.605 −2.303 0 2.303 4.605
Se grafica la función f (x) = ln (x).
Figura\PageIndex{22}: La función logaritmo natural se aproxima comox→∞.
Ejemplo\PageIndex{7}: Determining End Behavior for a Transcendental Function

Encuentre los límites comox→∞ yx→−∞ paraf(x)=\dfrac{2+3e^x}{7−5e^x} y describa el comportamiento final def.

Solución

Para encontrar el límite comox→∞, dividir el numerador y denominador pore^x:

\begin{align*} \lim_{x→∞}f(x) &= \lim_{x→∞}\frac{2+3e^x}{7−5e^x} \\[4pt] &=\lim_{x→∞}\frac{(2/e^x)+3}{(7/e^x)−5.} \end{align*}

Como se muestra en la Figura\PageIndex{21},e^x→∞ comox→∞. Por lo tanto,

\displaystyle \lim_{x→∞}\frac{2}{e^x}=0=\lim_{x→∞}\frac{7}{e^x}.

Se concluye que\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=−\frac{3}{5}, y la gráfica def se acerca a la asíntota horizontaly=−\frac{3}{5} comox→∞. Para encontrar el límite comox→−∞, utilizar el hecho de quee^x→0 comox→−∞ para concluir que\displaystyle \lim_{x→-∞}f(x)=\frac{2}{7}, y por lo tanto la gráfica def(x) se acerca a la asíntota horizontal y=\frac{2}{7}comox→−∞.

Ejercicio\PageIndex{7}

Encuentra los límites comox→∞ yx→−∞ paraf(x)=\dfrac{3e^x−4}{5e^x+2}.

Insinuación

\displaystyle \lim_{x→∞}e^x=∞y\displaystyle \lim_{x→-∞}e^x=0.

Contestar

\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=\frac{3}{5}, \quad\lim_{x→−∞}f(x)=−2

Lineamientos para Dibujar la Gráfica de una Función

Ahora contamos con suficientes herramientas analíticas para dibujar gráficas de una amplia variedad de funciones algebraicas y trascendentales. Antes de mostrar cómo graficar funciones específicas, veamos una estrategia general para usar al graficar cualquier función.

Estrategia de resolución de problemas: dibujo de la gráfica de una función

Dada una funciónf, utilice los siguientes pasos para esbozar una gráfica def:

  1. Determinar el dominio de la función.
  2. Localice las intercepcionesx - yy -intercepciones.
  3. \displaystyle \lim_{x→−∞}f(x)Evaluar\displaystyle \lim_{x→∞}f(x) y determinar el comportamiento final. Si alguno de estos límites es un número finitoL, entoncesy=L es una asíntota horizontal. Si alguno de estos límites es o−∞, determinar sif tiene una asíntota oblicua. Sif es una función racional tal quef(x)=\dfrac{p(x)}{q(x)}, donde el grado del numerador es mayor que el grado del denominador, entonces sef puede escribir comof(x)=\frac{p(x)}{q(x)}=g(x)+\frac{r(x)}{q(x),} \nonumber donde el grado der(x) es menor que el grado deq(x). Los valores def(x) aproximación a los valores deg(x) asx→±∞. Sig(x) es una función lineal, se le conoce como asíntota oblicua.
  4. Determinar sif tiene alguna asíntota vertical.
  5. Calcularf′. Encuentra todos los puntos críticos y determina los intervalos dondef esta aumentando y dondef esta disminuyendo. Determinar sif tiene algún extremo local.
  6. Calcularf''. Determine los intervalos dondef es cóncavo hacia arriba y dóndef es cóncavo abajo Utilice esta información para determinar sif tiene algún punto de inflexión. La segunda derivada también se puede utilizar como medio alternativo para determinar o verificar quef tiene un extremo local en un punto crítico.

Ahora usemos esta estrategia para graficar varias funciones diferentes. Comenzamos por graficar una función polinómica.

Ejemplo\PageIndex{8}: Sketching a Graph of a Polynomial

Esbozar un gráfico def(x)=(x−1)^2(x+2).

Solución

Paso 1: Comof es un polinomio, el dominio es el conjunto de todos los números reales.

Paso 2: Cuandox=0,\; f(x)=2. Por lo tanto, lay -intercepción es(0,2). Para encontrar lasx -intercepciones, necesitamos resolver la ecuación(x−1)^2(x+2)=0, que nos da lasx -intercepciones(1,0) y(−2,0)

Paso 3: Necesitamos evaluar el comportamiento final def. Asx→∞, \;(x−1)^2→∞ y(x+2)→∞. Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=∞.

Comox→−∞, \;(x−1)^2→∞ y(x+2)→−∞. Por lo tanto,\displaystyle \lim_{x→-∞}f(x)=−∞.

Para obtener aún más información sobre el comportamiento final def, podemos multiplicar los factores def. Al hacerlo, vemos que

f(x)=(x−1)^2(x+2)=x^3−3x+2. \nonumber

Dado que el término principal def esx^3, concluimos quef se comportay=x^3 comox→±∞.

Paso 4: Dado quef es una función polinómica, no tiene asíntotas verticales.

Paso 5: La primera derivada def es

f′(x)=3x^2−3. \nonumber

Por lo tanto,f tiene dos puntos críticos:x=1,−1. Dividir el intervalo(−∞,∞) en los tres intervalos más pequeños:(−∞,−1), \;(−1,1), y(1,∞). Después, elija los puntos de pruebax=−2, x=0, yx=2 a partir de estos intervalos y evalúe el signo def′(x) en cada uno de estos puntos de prueba, como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo de Derivadaf'(x)=3x^2−3=3(x−1)(x+1) Conclusión
(−∞,−1) x=−2 \ (f' (x) =3x^2−3=3 (x−1) (x+1)\)” style="text-align:center; ">(+)(−)(−)=+ festá aumentando
(−1,1) x=0 \ (f' (x) =3x^2−3=3 (x−1) (x+1)\)” style="text-align:center; ">(+)(−)(+)=− fdecreciente
(1,∞) x=2 \ (f' (x) =3x^2−3=3 (x−1) (x+1)\)” style="text-align:center; ">(+)(+)(+)=+ festá aumentando

De la mesa, vemos quef tiene un máximo local enx=−1 y un mínimo local enx=1. Evaluandof(x) en esos dos puntos, encontramos que el valor máximo local esf(−1)=4 y el valor mínimo local esf(1)=0.

Paso 6: La segunda derivada def es

f''(x)=6x. \nonumber

La segunda derivada es cero enx=0. Por lo tanto, para determinar la concavidad def, dividir el intervalo(−∞,∞) en los intervalos más pequeños(−∞,0) y(0,∞), y elegir puntos de pruebax=−1 yx=1 determinar la concavidad def en cada uno de estos intervalos más pequeños como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def''(x)=6x Conclusión
(−∞,0) x=−1 \ (f "(x) =6x\)” style="text-align:center; "> fes cóncavo hacia abajo.
(0,∞) x=1 \ (f "(x) =6x\)” style="text-align:center; ">+ fes cóncavo hacia arriba.

Observamos que la información de la tabla anterior confirma el hecho, encontrado en paso5, de que f tiene un máximo local enx=−1 y un mínimo local enx=1. Además, la información encontrada en el paso5 —es decir,f tiene un máximo local enx=−1 y un mínimo local enx=1, yf′(x)=0 en esos puntos— combinada con el hecho de quef'' los cambios se firman solo enx=0 confirma los resultados encontrados en paso6 sobre el concavidad def.

Combinando esta información, llegamos a la gráfica de quef(x)=(x−1)^2(x+2) se muestra en la siguiente gráfica.

Se grafica la función f (x) = (x −1) 2 (x + 2). Cruza el eje x en x = −2 y toca el eje x en x = 1.

Ejercicio\PageIndex{8}

Esbozar un gráfico def(x)=(x−1)^3(x+2).

Insinuación

fes un polinomio de cuarto grado.

Contestar

Se grafica la función f (x) = (x −1) 3 (x + 2).

Ejemplo\PageIndex{9}: Sketching a Rational Function

Esbozar la gráfica def(x)=\dfrac{x^2}{1−x^2}.

Solución

Paso 1: La funciónf se define siempre y cuando el denominador no sea cero. Por lo tanto, el dominio es el conjunto de todos los números realesx exceptox=±1.

Paso 2: Encuentra las intercepciones. Six=0, entoncesf(x)=0, también lo0 es una intercepción. Siy=0, entonces\dfrac{x^2}{1−x^2}=0, lo que implicax=0. Por lo tanto,(0,0) es la única intercepción.

Paso 3: Evaluar los límites al infinito. Dado quef es una función racional, dividir el numerador y denominador por el poder más alto en el denominador:x^2 .Obtenemos

\displaystyle \lim_{x→±∞}\frac{x^2}{1−x^2}=\lim_{x→±∞}\frac{1}{\frac{1}{x^2}−1}=−1.

Por lo tanto,f tiene una asíntota horizontal dey=−1 asx→∞ yx→−∞.

Paso 4: Para determinar sif tiene alguna asíntota vertical, primero verifique si el denominador tiene algún cero. Encontramos que el denominador es cero cuandox=±1. Determinar si las líneasx=1 ox=−1 son asíntotas verticales def, evaluar\displaystyle \lim_{x→1}f(x) y\displaystyle \lim_{x→−1}f(x). Al mirar cada límite unilateral comox→1, vemos que

\displaystyle \lim_{x→1^+}\frac{x^2}{1−x^2}=−∞y\displaystyle \lim_{x→1^−}\frac{x^2}{1−x^2}=∞.

Además, al observar cada límite unilateral ya quex→−1, encontramos que

\displaystyle \lim_{x→−1^+}\frac{x^2}{1−x^2}=∞y\displaystyle \lim_{x→−1^−}\frac{x^2}{1−x^2}=−∞.

Paso 5: Calcular la primera derivada:

f′(x)=\dfrac{(1−x^2)(2x)−x^2(−2x)}{\Big(1−x^2\Big)^2}=\dfrac{2x}{\Big(1−x^2\Big)^2}.

Los puntos críticos ocurren en puntosx dondef′(x)=0 of′(x) es indefinido. Vemos quef′(x)=0 cuandox=0. La derivada nof′ está indefinida en ningún momento del dominio def. Sin embargo, nox=±1 están en el dominio def. Por lo tanto, para determinar dóndef está aumentando y dóndef está disminuyendo, divida el intervalo(−∞,∞) en cuatro intervalos más pequeños:(−∞,−1), (−1,0), (0,1), y(1,∞), y elija un punto de prueba en cada intervalo para determinar el signo def′(x) en cada uno de estos intervalos. Los valoresx=−2,\; x=−\frac{1}{2}, \;x=\frac{1}{2}, yx=2 son buenas opciones para los puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def′(x)=\frac{2x}{(1−x^2)^2} Conclusión
(−∞,−1) x=−2 \ (f′ (x) =\ frac {2x} {(1−x^2) ^2}\)” style="text-align:center; ">−/+=− festá disminuyendo.
(−1,0) x=−1/2 \ (f′ (x) =\ frac {2x} {(1−x^2) ^2}\)” style="text-align:center; ">−/+=− festá disminuyendo.
(0,1) x=1/2 \ (f′ (x) =\ frac {2x} {(1−x^2) ^2}\)” style="text-align:center; ">+/+=+ fva en aumento.
(1,∞) x=2 \ (f′ (x) =\ frac {2x} {(1−x^2) ^2}\)” style="text-align:center; ">+/+=+ fva en aumento.

A partir de este análisis, se concluye quef tiene un mínimo localx=0 pero no un máximo local.

Paso 6: Calcular la segunda derivada:

\ [\ begin {align*} f "(x) &=\ frac {(1−x^2) ^2 (2) −2x (2 (1−x^2) (−2x))} {(1−x^2) ^4}\\ [4pt]
&=\ frac {(1−x^2) [2 (1−x^2) +8x^2]}\ Grande (1−x^2\ Grande) ^4}\\ [4pt]
&=\ frac {2 (1−x^2) +8x^2} {\ Grande (1−x^2\ Grande) ^3}\\ [4pt]
&=\ frac {6x^2+2} {\ Grande (1−x^2\ Grande) ^3}. \ end {alinear*}\]

Para determinar los intervalos dondef es cóncavo hacia arriba y dóndef es cóncavo hacia abajo, primero necesitamos encontrar todos los puntosx dondef''(x)=0 of''(x) es indefinido. Ya que el numerador6x^2+2≠0 para cualquiera nuncax, f''(x) es cero. Además, nof'' está indefinido para ningunox en el dominio def. Sin embargo, como se discutió anteriormente, nox=±1 están en el dominio def. Por lo tanto, para determinar la concavidad def, dividimos el intervalo(−∞,∞) en los tres intervalos más pequeños(−∞,−1), \, (−1,1), y(1,∞), y elegimos un punto de prueba en cada uno de estos intervalos para evaluar el signo def''(x). Los valoresx=−2, \;x=0, yx=2 son posibles puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def''(x)=\frac{6x^2+2}{(1−x^2)^3} Conclusión
(−∞,−1) x=−2 \ (f "(x) =\ frac {6x^2+2} {(1−x^2) ^3}\)” style="text-align:center; ">+/−=− fes cóncavo hacia abajo.
(−1,1) x=0 \ (f "(x) =\ frac {6x^2+2} {(1−x^2) ^3}\)” style="text-align:center; ">+/+=+ fes cóncavo hacia arriba
(1,∞) x=2 \ (f "(x) =\ frac {6x^2+2} {(1−x^2) ^3}\)” style="text-align:center; ">+/−=− fes cóncavo hacia abajo.

Combinando toda esta información, llegamos a la gráfica de quef se muestra a continuación. Tenga en cuenta que, aunquef cambia la concavidad enx=−1 yx=1, no hay puntos de inflexión en ninguno de estos lugares porque nof es continuo enx=−1 ox=1.

Gráfica con 3 piezas. El más a la izquierda comienza a lo largo de una asíntota horizontal en Y es igual a 1 negativo en el lado izquierdo de la gráfica y se dobla hacia abajo a una asíntota vertical en X es igual a 1 negativo. La pieza media es vagamente parabólica, cayendo desde la parte superior de la gráfica en X equivale a 1 negativo al origen y luego se eleva de nuevo a la parte superior en X es igual a 1. La tercera pieza se eleva desde abajo en X es igual a 1 y se dobla para llegar al lado derecho a lo largo de una asíntota horizontal de Y es igual a 1 negativo.

Ejercicio\PageIndex{9}

Esbozar un gráfico def(x)=\dfrac{3x+5}{8+4x}.

Pista

Una líneay=L es una asíntota horizontal def si el límite comox→∞ o el límite a partirx→−∞ def(x) esL. Una líneax=a es una asíntota vertical si al menos uno de los límites unilaterales def comox→a es o−∞.

Contestar

Se grafica la función f (x) = (3x + 5)/(8 + 4x). Parece tener asíntotas en x = −2 e y = 1.

Ejemplo\PageIndex{10}: Sketching a Rational Function with an Oblique Asymptote

Esbozar el gráfico def(x)=\dfrac{x^2}{x−1}

Solución

Paso 1: El dominio def es el conjunto de todos los números realesx exceptox=1.

Paso 2: Encuentra las intercepciones. Podemos ver que cuandox=0, \,f(x)=0, así(0,0) es la única intercepción.

Paso 3: Evaluar los límites al infinito. Dado que el grado del numerador es uno más que el grado del denominador,f debe tener una asíntota oblicua. Para encontrar la asíntota oblicua, utilice la división larga de polinomios para escribir

f(x)=\dfrac{x^2}{x−1}=x+1+\dfrac{1}{x−1}.

Ya que\dfrac{1}{x−1}→0 comox→±∞, f(x) se acerca a la líneay=x+1 comox→±∞. La líneay=x+1 es una asíntota oblicua paraf.

Paso 4: Para verificar si hay asíntotas verticales, mira donde el denominador es cero. Aquí el denominador es cero enx=1. Mirando ambos límites unilaterales comox→1, encontramos

\displaystyle \lim_{x→1^+}\frac{x^2}{x−1}=∞y\displaystyle \lim_{x→1^−}\frac{x^2}{x−1}=−∞.

Por lo tanto,x=1 es una asíntota vertical, y hemos determinado el comportamiento def comox enfoques1 desde la derecha y la izquierda.

Paso 5: Calcular la primera derivada:

f′(x)=\dfrac{(x−1)(2x)−x^2(1)}{(x−1)^2}=\dfrac{x^2−2x}{(x−1)^2}.

Tenemosf′(x)=0 cuandox^2−2x=x(x−2)=0. Por lo tanto,x=0 yx=2 son puntos críticos. Dado quef es indefinido enx=1, necesitamos dividir el intervalo(−∞,∞) en los intervalos más pequeños(−∞,0), (0,1), (1,2), y(2,∞), y elegir un punto de prueba de cada intervalo para evaluar el signo def′(x) en cada uno de estos intervalos más pequeños. Por ejemplo, letx=−1, x=\frac{1}{2}, x=\frac{3}{2}, yx=3 ser los puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def'(x)=\dfrac{x^2−2x}{(x−1)^2} Conclusión
(−∞,0) x=−1 \ (f' (x) =\ dfrac {x^2−2x} {(x−1) ^2}\)” datos-valign="top"> (−) (−) /+=+ fva en aumento.
(0,1) x=1/2 \ (f' (x) =\ dfrac {x^2−2x} {(x−1) ^2}\)” datos-valign="top"> (+) (−) /+=− festá disminuyendo.
(1,2) x=3/2 \ (f' (x) =\ dfrac {x^2−2x} {(x−1) ^2}\)” datos-valign="top"> (+) (−) /+=− festá disminuyendo.
(2,∞) x=3 \ (f' (x) =\ dfrac {x^2−2x} {(x−1) ^2}\)” valign="top"> (+) (+) /+=+ fva en aumento.

De esta mesa, vemos quef tiene un máximo local enx=0 y un mínimo local enx=2. El valor def al máximo local esf(0)=0 y el valor def al mínimo local esf(2)=4. Por lo tanto,(0,0) y(2,4) son puntos importantes en la gráfica.

Paso 6. Calcular la segunda derivada:

\ [\ begin {align*} f "(x) &=\ frac {(x−1) ^2 (2x−2) −2 (x−1) (x^2−2x)} {(x−1) ^4}\\ [4pt]
&=\ frac {2 (x−1) [(x−1) ^2− (x^2−2x)]} {(−1) ^4}\\ [4pt]
&=\ frac {2 [x^2-2x+1−x^2+2x]} {(x−1) ^3}\\ [4pt]
&=\ frac {2} {(x−1) ^3}. \ end {alinear*}\]

Vemos que nuncaf''(x) es cero o indefinido parax en el dominio def. Ya quef es indefinido enx=1, para verificar la concavidad simplemente dividimos el intervalo(−∞,∞) en los dos intervalos más pequeños(−∞,1) y(1,∞), y elegimos un punto de prueba de cada intervalo para evaluar el signo def''(x) en cada uno de estos intervalos. Los valoresx=0 yx=2 son posibles puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def''(x)=\dfrac{2}{(x−1)^3} Conclusión
(−∞,1) x=0 \ (f "(x) =\ dfrac {2} {(x−1) ^3}\)” style="text-align:center; ">+/−=− fes cóncavo hacia abajo.
(1,∞) x=2 \ (f "(x) =\ dfrac {2} {(x−1) ^3}\)” style="text-align:center; ">+/+=+ fes cóncavo hacia arriba

De la información recopilada, llegamos a la siguiente gráfica paraf.

Se grafica la función f (x) = x2/ (x − 1). Tiene asíntotas y = x + 1 y x = 1.

Ejercicio\PageIndex{10}

Encuentra la asíntota oblicua paraf(x)=\dfrac{3x^3−2x+1}{2x^2−4}.

Insinuación

Usar división larga de polinomios.

Contestar

y=\frac{3}{2}x

Ejemplo\PageIndex{11}: Sketching the Graph of a Function with a Cusp

Esbozar un gráfico def(x)=(x−1)^{2/3}

Solución

Paso 1: Dado que la función de raíz de cubo está definida para todos los números realesx y(x−1)^{2/3}=(\sqrt[3]{x−1})^2, el dominio def es todos los números reales.

Paso 2: Para encontrar lay -intercepción, evalúef(0). Ya quef(0)=1, lay -intercepción es(0,1). Para encontrar lax -intercepción, resolver(x−1)^{2/3}=0. La solución de esta ecuación esx=1, entonces lax -intercepción es(1,0).

Paso 3: Dado que\displaystyle \lim_{x→±∞}(x−1)^{2/3}=∞, la función sigue creciendo sin ataduras comox→∞ yx→−∞.

Paso 4: La función no tiene asíntotas verticales.

Paso 5: Para determinar dóndef está aumentando o disminuyendo,f′. calculamos Encontramos

f′(x)=\frac{2}{3}(x−1)^{−1/3}=\frac{2}{3(x−1)^{1/3}} \nonumber

Esta función no es cero en ninguna parte, pero es indefinida cuandox=1. Por lo tanto, el único punto crítico esx=1. Dividir el intervalo(−∞,∞) en los intervalos más pequeños(−∞,1) y(1,∞), y elegir puntos de prueba en cada uno de estos intervalos para determinar el signo def′(x) en cada uno de estos intervalos más pequeños. Dejarx=0 yx=2 ser los puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def′(x)=\frac{2}{3(x−1)^{1/3}} Conclusión
(−∞,1) x=0 \ (f′ (x) =\ frac {2} {3 (x−1) ^ {1/3}}\)” style="text-align:center; ">+/−=− festá disminuyendo
(1,∞) x=2 \ (f′ (x) =\ frac {2} {3 (x−1) ^ {1/3}}\)” style="text-align:center; ">+/+=+ festá aumentando

Concluimos quef tiene un mínimo local enx=1. Evaluandof enx=1, encontramos que el valor def al mínimo local es cero. Tenga en cuenta que nof′(1) está definido, por lo que para determinar el comportamiento de la función en este punto crítico, necesitamos examinar\displaystyle \lim_{x→1}f′(x). Mirando los límites unilaterales, tenemos

\lim_{x→1^+}\frac{2}{3(x−1)^{1/3}}=∞\text{ and } \lim_{x→1^−}\frac{2}{3(x−1)^{1/3}}=−∞.\nonumber

Por lo tanto,f tiene una cúspide enx=1.

Paso 6: Para determinar la concavidad, calculamos la segunda derivada def:

f''(x)=−\dfrac{2}{9}(x−1)^{−4/3}=\dfrac{−2}{9(x−1)^{4/3}}. \nonumber

Encontramos quef''(x) está definido para todosx, pero es indefinido cuandox=1. Por lo tanto, divida el intervalo(−∞,∞) en los intervalos más pequeños(−∞,1) y(1,∞), y elija puntos de prueba para evaluar el signo def''(x) en cada uno de estos intervalos. Como hicimos antes, vamosx=0 yx=2 ser puntos de prueba como se muestra en la siguiente tabla.

Intervalo Punto de prueba Signo def''(x)=\dfrac{−2}{9(x−1)^{4/3}} Conclusión
(−∞,1) x=0 \ (f "(x) =\ dfrac {−2} {9 (x−1) ^ {4/3}}\)” style="text-align:center; ">−/+=− fes cóncavo hacia abajo
(1,∞) x=2 \ (f "(x) =\ dfrac {−2} {9 (x−1) ^ {4/3}}\)” style="text-align:center; ">−/+=− fes cóncavo hacia abajo

De esta tabla, concluimos quef es cóncavo hacia abajo en todas partes. Combinando toda esta información, llegamos a la siguiente gráfica paraf.

Se grafica la función f (x) = (x − 1) 2/3. Toca el eje x en x = 1, donde llega a algo así como una punta afilada y luego se ensancha a cada lado.

Ejercicio\PageIndex{11}

Considera la funciónf(x)=5−x^{2/3}. Determinar el punto en la gráfica donde se encuentra una cúspide. Determinar el comportamiento final def.

Pista

Una funciónf tiene una cúspide en un puntoa sif(a) existe, nof'(a) está definida, uno de los límites unilaterales a partirx→a def'(x) es+∞, y el otro límite unilateral es−∞.

Contestar

La funciónf tiene una cúspide en(0,5), desde\displaystyle \lim_{x→0^−}f′(x)=∞ y\displaystyle \lim_{x→0^+}f′(x)=−∞. Para el comportamiento final,\displaystyle \lim_{x→±∞}f(x)=−∞.

Conceptos clave

  • El límite def(x) esL comox→∞ (o comox→−∞) si los valoresf(x) se acercaran arbitrariamente aL comox se vuelve suficientemente grande.
  • El límite def(x) es comox→∞ sif(x) se volviera arbitrariamente grande comox se vuelve suficientemente grande. El límite def(x) es−∞ comox→∞ sif(x)<0 y|f(x)| se vuelve arbitrariamente grande comox se vuelve suficientemente grande. Podemos definir el límite def(x) comox enfoques de−∞ manera similar.
  • Para una función polinómicap(x)=a_nx^n+a_{n−1}x^{n−1}+…+a_1x+a_0, dondea_n≠0, el comportamiento final está determinado por el término principala_nx^n. Sin≠0, p(x) se acerca o−∞ en cada extremo.
  • Para una función racional,f(x)=\dfrac{p(x)}{q(x),} el comportamiento final está determinado por la relación entre el grado dep y el grado deq. Si el grado dep es menor que el grado deq, la líneay=0 es una asíntota horizontal paraf. Si el grado dep es igual al grado deq, entonces la líneay=\dfrac{a_n}{b_n} es una asíntota horizontal, dondea_n yb_n son los coeficientes principales dep yq, respectivamente. Si el grado dep es mayor que el grado deq, entonces sef acerca o−∞ en cada extremo.

Glosario

comportamiento final
el comportamiento de una función comox→∞ yx→−∞
asíntota horizontal
si\displaystyle \lim_{x→∞}f(x)=L o\displaystyle \lim_{x→−∞}f(x)=L, entoncesy=L es una asíntota horizontal def
límite infinito en el infinito
una función que se vuelve arbitrariamente grande a medida quex se vuelve grande
límite al infinito
una función que se acerca a un valor límite aL medida quex se vuelve grande
asíntota oblicua
la líneay=mx+b sif(x) se acerca a ella comox→∞ o x→−∞

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