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Topos Uranos

Limite di funzioni di una variabile reale

Riepilogo

Questa lezione trasforma in una definizione precisa l’idea che i valori di una funzione si avvicinano a un numero quando la variabile si avvicina a un punto. Mostra perché l’idea intuitiva non basta, introduce i punti di accumulazione, che indicano dove ha senso chiedersi se esista un limite, ed enuncia la definizione epsilon-delta, che si legge come una sfida e la sua risposta. Scrive la definizione e la sua negazione come enunciati quantificati e dimostra che il limite, se esiste, è unico, che dipende solo dai valori vicini al punto e che obbliga la funzione a restare limitata e a conservare il segno vicino a esso. I problemi costruiscono il delta per funzioni polinomiali, radici e quozienti, dimostrano che certi limiti non esistono e cercano il più grande delta che risponde a un epsilon dato.

Obiettivi di apprendimento

  1. Spiegare l’idea di limite di una funzione in un punto e distinguerla dal valore della funzione in quel punto.
  2. Enunciare la definizione epsilon-delta di limite, giustificare la richiesta che il punto sia di accumulazione per il dominio e scrivere la definizione e la sua negazione con i quantificatori.
  3. Dimostrare con la definizione il valore del limite di funzioni algebriche semplici, costruendo un delta per ogni epsilon.
  4. Dimostrare l’unicità del limite e le sue proprietà locali, e applicare la negazione della definizione per dimostrare che un limite non esiste.

L’idea di limite

L’algebra e la geometria studiano il valore che una funzione assume in ogni punto; l’analisi studia, inoltre, che cosa accade ai suoi valori quando la variabile si avvicina a un punto, anche se in quel punto la funzione non è definita. L’esigenza è antica. Il coefficiente angolare della retta che passa per due punti di una curva si calcola con un quoziente di differenze; il coefficiente angolare della retta tangente dovrebbe essere il valore di quel quoziente quando i due punti si confondono, ma allora il quoziente è 00\frac{0}{0}, che non è un numero. Allo stesso modo, la velocità media di un corpo in moto è il quoziente tra la distanza percorsa e il tempo impiegato, e la velocità in un istante è ciò che quel quoziente arriva a valere quando il tempo impiegato si riduce a nulla. In entrambi i casi ci si chiede quali siano i valori di una funzione vicino a un punto in cui essa non è definita.

Un esempio semplice mostra la situazione. La funzione seguente non è definita in x=1x = 1, perché lì il suo denominatore si annulla; tuttavia, i suoi valori in punti vicini a 11 sono vicini a 22:

f(x)=x2−1x−1,f(0,9)=1,9,f(0,99)=1,99,f(1,01)=2,01,f(1,1)=2,1f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}, \qquad f(0{,}9) = 1{,}9, \quad f(0{,}99) = 1{,}99, \quad f(1{,}01) = 2{,}01, \quad f(1{,}1) = 2{,}1

La ragione è che, per x≠1x \neq 1, il numeratore si scompone come (x−1)(x+1)(x - 1)(x + 1) e il quoziente vale x+1x + 1; il grafico di ff è la retta y=x+1y = x + 1 con un buco nel punto (1,2)(1, 2). Si dice allora che il limite di ff per xx che tende a 11 è 22, e si scrive:

lim⁡x→1x2−1x−1=2\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = 2

Tuttavia, la frase «i valori si avvicinano a 22» non serve come definizione, per due ragioni. La prima è che avvicinarsi non basta: quando xx passa da 0,90{,}9 a 0,990{,}99, il valore di ff si avvicina anche a 33, perché 1,991{,}99 è più vicino a 33 di quanto lo sia 1,91{,}9, e tuttavia 33 non è il limite. Ciò che distingue il 22 è che i valori di ff arrivano a essergli vicini quanto si vuole, e non solo più vicini di prima. La seconda ragione è che una tabella esamina un numero finito di punti, e una funzione può comportarsi in altro modo tra di essi: la funzione sin⁡(πx)\sin\left(\frac{\pi}{x}\right) vale 00 in x=0,1x = 0{,}1, in x=0,01x = 0{,}01 e in tutti i punti della forma 1n\frac{1}{n}, e tuttavia non ha limite in 00, perché tra quei punti oscilla tra −1-1 e 11; il problema proposto 3 lo dimostra per sin⁡(1x)\sin\left(\frac{1}{x}\right), con lo stesso argomento. Se è così, la definizione deve parlare di tutti i punti vicini contemporaneamente e fissare con numeri che cosa significa «vicino quanto si vuole». Gli strumenti per farlo sono il valore assoluto, che misura le distanze, e la disuguaglianza triangolare, studiati nella lezione sulla retta reale.

Punti di accumulazione

Prima di definire il limite bisogna precisare in quali punti ha senso chiederselo. Il punto aa non deve necessariamente appartenere al dominio della funzione, come mostra l’esempio qui sopra; ma devono esserci punti del dominio vicini ad aa quanto si vuole, perché altrimenti non ci sarebbero valori della funzione da osservare.

DefinizionePunto di accumulazione

Sia AA un insieme di numeri reali. Un reale aa è un punto di accumulazione di AA se ogni intervallo aperto centrato in aa contiene qualche elemento di AA diverso da aa:

(∀δ>0)(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A)(0 < \abs{x - a} < \delta)

Un elemento di AA che non è punto di accumulazione di AA si chiama punto isolato di AA.

Per esempio, 11 è punto di accumulazione di R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}, il dominio della funzione dell’esempio, anche se non gli appartiene. Ogni punto dell’intervallo chiuso [0,1]\icc{0}{1} è punto di accumulazione dell’aperto (0,1)\ioo{0}{1}, estremi compresi. Lo 00 è punto di accumulazione dell’insieme dei numeri 1n\frac{1}{n} con nn naturale, perché per la proprietà archimedea, per ogni δ>0\delta > 0 esiste un naturale nn con 1n<δ\frac{1}{n} < \delta. Invece l’insieme N\mathbb{N} non ha punti di accumulazione: l’intervallo di centro aa e raggio 12\frac{1}{2} contiene al più un naturale mm; se m=am = a, non contiene alcun naturale diverso da aa, e se m≠am \neq a, l’intervallo di raggio ∣m−a∣\abs{m - a} non ne contiene più nessuno. La condizione 0<∣x−a∣0 < \abs{x - a} è essenziale; senza di essa, ogni elemento di AA sarebbe punto di accumulazione di AA, perché ogni intervallo centrato in aa contiene aa stesso.

La definizione di limite

Con queste nozioni si può dare la definizione. La frase «f(x)f(x) è vicino a LL quanto si vuole» si traduce così: per ogni distanza ε>0\varepsilon > 0, per quanto piccola, i valori di ff restano a meno di ε\varepsilon da LL purché xx sia sufficientemente vicino ad aa, cioè a meno di una certa distanza δ>0\delta > 0, senza essere uguale ad aa.

DefinizioneLimite di una funzione in un punto

Siano ff una funzione reale definita in un insieme AA di numeri reali, aa un punto di accumulazione di AA ed LL un numero reale. Si dice che LL è il limite di ff per xx che tende ad aa, e si scrive lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L, se per ogni ε>0\varepsilon > 0 esiste un δ>0\delta > 0 tale che ogni xx di AA che soddisfa 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta soddisfa anche ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon:

lim⁡x→af(x)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)\lim_{x \to a} f(x) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

Geometricamente, la condizione ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon dice che il punto (x,f(x))(x, f(x)) del grafico sta nella striscia orizzontale compresa tra le rette y=L−εy = L - \varepsilon e y=L+εy = L + \varepsilon; la condizione 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta dice che xx sta nell’intervallo di centro aa e raggio δ\delta, senza esserne il centro. La definizione si può leggere come un gioco tra due persone: la prima propone un ε\varepsilon, il raggio di una striscia attorno a LL, stretta quanto vuole; la seconda deve rispondere con un δ\delta tale che la porzione del grafico situata sopra l’intorno bucato di raggio δ\delta resti dentro la striscia. Il limite è LL se la seconda persona riesce a rispondere a tutte le sfide.

EsempioLa sfida e la risposta

La funzione gg vale x2x^2 in ogni x≠1x \neq 1, e in x=1x = 1 le si assegna, di proposito, un valore che non si accorda con gli altri: g(1)=52g(1) = \frac{5}{2}. Si vede come si risponde a due sfide per il limite L=1L = 1 nel punto a=1a = 1.

Dimostrazione

  1. (∀x≠1)(g(x)=x2),g(1)=52(\forall x \neq 1)\left(g(x) = x^2\right), \qquad g(1) = \frac{5}{2}

    La funzione è definita su tutta la retta. Vicino a 11, i suoi valori somigliano a 11, tranne quello in x=1x = 1, che resta a sé.

  2. ∣g(x)−1∣<45↔15<g(x)<95\abs{g(x) - 1} < \frac{4}{5} \leftrightarrow \frac{1}{5} < g(x) < \frac{9}{5}

    Prima sfida: ε=45\varepsilon = \frac{4}{5}. I valori di gg devono restare nella striscia che va da 15\frac{1}{5} a 95\frac{9}{5}.

  3. δ=min⁡(1−15,95−1)=95−1\delta = \min\left(1 - \sqrt{\frac{1}{5}}, \sqrt{\frac{9}{5}} - 1\right) = \resaltar{\sqrt{\frac{9}{5}} - 1}

    Per gli xx positivi diversi da 11, la condizione equivale a che xx sia compreso tra 15\sqrt{\frac{1}{5}} e 95\sqrt{\frac{9}{5}}. L’intervallo non è simmetrico rispetto a 11: l’estremo destro è più vicino. Si risponde con la minore delle due distanze.

  4. 0<∣x−1∣<δ→∣g(x)−1∣<450 < \abs{x - 1} < \delta \rightarrow \abs{g(x) - 1} < \frac{4}{5}

    Ogni xx che dista da 11 meno di δ\delta, senza essere 11, soddisfa la condizione: la porzione del grafico sopra l’intorno bucato resta nella striscia. Il punto (1,g(1))(1, g(1)) resta fuori dalla striscia, ma non importa, perché la definizione esclude x=1x = 1.

  5. ε=25→δ=75−1\varepsilon = \frac{2}{5} \rightarrow \delta = \resaltar{\sqrt{\frac{7}{5}} - 1}

    Una sfida più esigente, ε=25\varepsilon = \frac{2}{5}, richiede una risposta minore. In generale, per 0<ε<10 < \varepsilon < 1 va bene δ=1+ε−1\delta = \sqrt{1 + \varepsilon} - 1, che diventa piccolo quanto si vuole quando lo è ε\varepsilon: il δ\delta dipende dall’ε\varepsilon.

L’esempio mostra tre caratteristiche della definizione che conviene tenere presenti. Primo, il δ\delta dipende dall’ε\varepsilon, e in generale anche dal punto aa; se un δ\delta risponde a una sfida, qualunque numero positivo minore di esso risponde anche, sicché basta trovarne uno, e non serve il più grande. Secondo, il valore della funzione in aa, se esiste, non interviene: la condizione 0<∣x−a∣0 < \abs{x - a} lo esclude, ed è per questo che il limite di gg in 11 è 11 anche se g(1)g(1) vale 52\frac{5}{2}. Terzo, contano solo gli xx del dominio; gli altri non si esaminano.

EsempioUna funzione lineare

Si dimostra che lim⁡x→2(3x−1)=5\lim_{x \to 2} (3x - 1) = 5. Dato ε>0\varepsilon > 0, bisogna ottenere che ∣(3x−1)−5∣<ε\abs{(3x - 1) - 5} < \varepsilon. L’espressione si semplifica e mostra la sua relazione con ∣x−2∣\abs{x - 2}:

∣(3x−1)−5∣=∣3x−6∣=3∣x−2∣\abs{(3x - 1) - 5} = \abs{3x - 6} = 3\abs{x - 2}

Basta, pertanto, che 3∣x−2∣<ε3\abs{x - 2} < \varepsilon, cioè che ∣x−2∣<ε3\abs{x - 2} < \frac{\varepsilon}{3}. Si risponde con δ=ε3\delta = \frac{\varepsilon}{3}: se 0<∣x−2∣<ε30 < \abs{x - 2} < \frac{\varepsilon}{3}, allora ∣(3x−1)−5∣<3⋅ε3=ε\abs{(3x - 1) - 5} < 3 \cdot \frac{\varepsilon}{3} = \varepsilon. Allo stesso modo, per una funzione costante cc qualsiasi δ\delta risponde, perché ∣c−c∣=0<ε\abs{c - c} = 0 < \varepsilon; e per la funzione identità risponde δ=ε\delta = \varepsilon, perché la condizione richiesta, ∣x−a∣<ε\abs{x - a} < \varepsilon, è la stessa che si suppone. Pertanto:

lim⁡x→ac=c,lim⁡x→ax=a\lim_{x \to a} c = c, \qquad \lim_{x \to a} x = a

Il metodo dell’esempio è quello generale: si scrive ∣f(x)−L∣\abs{f(x) - L} in modo che compaia il fattore ∣x−a∣\abs{x - a}, e si maggiora il resto. Quando il resto non è una costante, lo si maggiora restringendo in anticipo δ\delta a un valore fisso, per esempio δ≤1\delta \leq 1; questa è la tecnica dell’esempio seguente.

EsempioUn quadrato

Si dimostra che lim⁡x→3x2=9\lim_{x \to 3} x^2 = 9. Sia ε>0\varepsilon > 0.

Dimostrazione

  1. ∣x2−9∣=∣x−3∣⋅∣x+3∣\abs{x^2 - 9} = \abs{x - 3} \cdot \dato{f}{\abs{x + 3}}

    Si scompone la differenza di quadrati; compare il fattore ∣x−3∣\abs{x - 3}, che si renderà piccolo, moltiplicato per un fattore che dipende da xx.

  2. ∣x−3∣<1→5<x+3<7→∣x+3∣<7\abs{x - 3} < 1 \rightarrow 5 < x + 3 < 7 \rightarrow \dato{c}{\abs{x + 3} < 7}

    Se si richiede ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1, allora xx è compreso tra 22 e 44, e il secondo fattore risulta maggiorato da 77.

  3. δ=min⁡(1,ε7)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{7}\right)

    Con questa restrizione, basta inoltre che 7∣x−3∣<ε7\abs{x - 3} < \varepsilon. Si sceglie δ\delta come il minore dei due numeri, affinché valgano entrambe le condizioni.

  4. ∣x2−9∣=∣x−3∣∣x+3∣<ε7⋅7=ε\abs{x^2 - 9} = \abs{x - 3}\abs{x + 3} < \frac{\varepsilon}{7} \cdot 7 = \resaltar{\varepsilon}

    Se 0<∣x−3∣<δ0 < \abs{x - 3} < \delta, allora ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1 e ∣x−3∣<ε7\abs{x - 3} < \frac{\varepsilon}{7}; ne segue la disuguaglianza richiesta.

Il limite dell’inizio della lezione si dimostra allo stesso modo, e con un’osservazione che si userà spesso: poiché la definizione non esamina il punto aa, si può semplificare l’espressione di ff nei punti diversi da aa. Per x≠1x \neq 1, il quoziente x2−1x−1\frac{x^2 - 1}{x - 1} vale x+1x + 1, e allora ∣f(x)−2∣=∣x−1∣\abs{f(x) - 2} = \abs{x - 1}; risponde δ=ε\delta = \varepsilon. Semplificare il fattore x−1x - 1 è legittimo proprio perché xx non vale mai 11 nella definizione.

La definizione come enunciato quantificato

La definizione di limite è un enunciato con tre quantificatori alternati: per ogni ε\varepsilon, esiste δ\delta, per ogni xx. La sua struttura logica è quella degli enunciati che studia la logica dei predicati, e saperla maneggiare è metà del lavoro con i limiti. Ne seguono due conseguenze.

La prima è che l’ordine dei quantificatori conta. Nella definizione, il δ\delta si sceglie dopo aver conosciuto l’ε\varepsilon, e per questo può dipendere da esso. Se si scrivesse prima (∃δ>0)(\exists \delta > 0) e poi (∀ε>0)(\forall \varepsilon > 0), uno stesso δ\delta dovrebbe servire per tutti gli ε\varepsilon contemporaneamente, il che è un’affermazione molto più forte, che il problema proposto 4 chiede di caratterizzare.

La seconda è che la negazione della definizione si ottiene con le regole della negazione dei quantificatori: la negazione di «per ogni» è «esiste qualche... che non», e quella di «esiste» è «per ogni... non». Così si ottiene che cosa significa che LL non sia il limite.

ProposizioneNegazione della definizione di limite

Siano ff una funzione definita in AA, aa un punto di accumulazione di AA ed LL un reale. Il numero LL non è il limite di ff per xx che tende ad aa se e solo se esiste un ε>0\varepsilon > 0 tale che, per ogni δ>0\delta > 0, c’è qualche xx di AA con 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta e ∣f(x)−L∣≥ε\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon. La negazione si porta all’interno, quantificatore per quantificatore, fino a raggiungere l’implicazione.

Dimostrazione

  1. ¬(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)\neg (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    Si nega la definizione completa.

  2. (∃ε>0)¬(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0) \resaltar{\neg} (\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    La negazione di un enunciato universale è l’esistenza di un caso in cui esso fallisce.

  3. (∃ε>0)(∀δ>0)¬(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0) \resaltar{\neg} (\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    La negazione di un enunciato esistenziale è che tutti i casi falliscono.

  4. (∃ε>0)(∀δ>0)(∃x∈A)¬(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A) \resaltar{\neg} \left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    Si nega di nuovo un enunciato universale.

  5. (∃ε>0)(∀δ>0)(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ∧∣f(x)−L∣≥ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \wedge \resaltar{\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon}\right)

    Un’implicazione è falsa se e solo se il suo antecedente è vero e il suo conseguente falso; e la negazione di ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon è ∣f(x)−L∣≥ε\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon, per la tricotomia.

In termini del gioco, LL non è il limite se la prima persona dispone di una sfida a cui nessuna risposta va bene: per quanto piccolo sia il δ\delta proposto, c’è un punto dell’intorno bucato il cui valore esce dalla striscia. Per dimostrare che una funzione non ha limite in aa bisogna mostrare che nessun reale LL lo è, come si fa nel problema risolto 4.

Proprietà fondamentali

La notazione lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L parla del limite, come se fosse un solo numero. Ciò richiede una dimostrazione: che due numeri distinti non possono soddisfare contemporaneamente la definizione. Qui interviene la richiesta che aa sia punto di accumulazione del dominio. Se non lo fosse, esisterebbe un δ0>0\delta_0 > 0 tale che nessun xx del dominio soddisferebbe 0<∣x−a∣<δ00 < \abs{x - a} < \delta_0; rispondendo sempre con quel δ0\delta_0, l’implicazione della definizione sarebbe vera per ogni LL, perché il suo antecedente non sarebbe mai soddisfatto, e ogni numero sarebbe limite.

TeoremaUnicità del limite

Siano ff una funzione definita in AA e aa un punto di accumulazione di AA. Se lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L e lim⁡x→af(x)=L′\lim_{x \to a} f(x) = L', allora L=L′L = L'. Si ragiona per assurdo: si suppone che i limiti siano distinti, per esempio L<L′L < L', e si sceglie un ε\varepsilon così piccolo che le strisce di raggio ε\varepsilon attorno a LL e a L′L' non si tocchino.

Dimostrazione

  1. ε=L′−L2>0\dato{e}{\varepsilon = \frac{L' - L}{2} > 0}

    Supponiamo L<L′L < L', e sia ε\varepsilon la metà della distanza tra i due; è positivo.

  2. 0<∣x−a∣<δ1→∣f(x)−L∣<ε,0<∣x−a∣<δ2→∣f(x)−L′∣<ε0 < \abs{x - a} < \delta_1 \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon, \qquad 0 < \abs{x - a} < \delta_2 \rightarrow \abs{f(x) - L'} < \varepsilon

    Le strisce di raggio ε\varepsilon attorno a LL e a L′L' non hanno punti in comune, e si applica la definizione a ciascun limite con quell’ε\varepsilon: si ottengono due risposte, δ1\delta_1 e δ2\delta_2, che in generale sono diverse.

  3. δ=min⁡(δ1,δ2),(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ)\delta = \min(\delta_1, \delta_2), \quad (\exists x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta\right)

    Perché entrambe le condizioni valgano contemporaneamente si prende il minore dei due raggi. Poiché aa è punto di accumulazione di AA, l’intorno bucato di raggio δ\delta contiene qualche xx del dominio.

  4. ∣f(x)−L∣<ε∧∣f(x)−L′∣<ε\dato{d}{\abs{f(x) - L} < \varepsilon \wedge \abs{f(x) - L'} < \varepsilon}

    Per quell’xx valgono le due disuguaglianze: il valore f(x)f(x) starebbe nelle due strisce contemporaneamente.

  5. L′−L≤∣L′−f(x)∣+∣f(x)−L∣<2ε=L′−LL' - L \leq \abs{L' - f(x)} + \abs{f(x) - L} < 2\varepsilon = \resaltar{L' - L}

    Per la disuguaglianza triangolare, la distanza tra LL e L′L' sarebbe minore di 2ε2\varepsilon, che è proprio quella distanza: contraddizione. Pertanto non può essere L<L′L < L'; allo stesso modo, non può essere L′<LL' < L, e per la tricotomia, L=L′L = L'.

Il lemma seguente formalizza l’osservazione che ha permesso di semplificare il quoziente x2−1x−1\frac{x^2 - 1}{x - 1}: il limite in aa dipende solo dai valori della funzione vicino ad aa, e non da quello che assume in aa né da quelli lontani da esso.

LemmaIl limite dipende solo dai valori vicini

Siano ff e gg funzioni definite in AA, aa un punto di accumulazione di AA e r>0r > 0 tale che f(x)=g(x)f(x) = g(x) per ogni xx di AA con 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r. Se lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L, allora lim⁡x→ag(x)=L\lim_{x \to a} g(x) = L. Basta prendere la risposta che va bene per ff e, se necessario, ridurla fino a rr.

Dimostrazione

  1. 0<∣x−a∣<δ1→∣f(x)−L∣<ε\dato{f}{0 < \abs{x - a} < \delta_1 \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon}

    Sia ε>0\varepsilon > 0. Per ipotesi, esiste una risposta δ1\delta_1 per ff.

  2. δ=min⁡(δ1,r)\delta = \min(\delta_1, r)

    Si prende il minore tra quella risposta e il raggio in cui le funzioni coincidono.

  3. ∣g(x)−L∣=∣f(x)−L∣<ε\abs{g(x) - L} = \abs{\resaltar{f(x)} - L} < \varepsilon

    Se xx appartiene ad AA e 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta, allora g(x)=f(x)g(x) = f(x), perché δ≤r\delta \leq r, e f(x)f(x) sta nella striscia, perché δ≤δ1\delta \leq \delta_1.

Le due proprietà seguenti dicono che il limite impone condizioni alla funzione vicino al punto. La prima la obbliga a restare limitata; la seconda, ad avere il segno del limite quando questo non è zero. Entrambe si ottengono applicando la definizione con un ε\varepsilon scelto in anticipo, e saranno gli strumenti per dimostrare le regole del prodotto e del quoziente nella lezione sull’algebra dei limiti.

ProposizioneLimitatezza locale e permanenza del segno

Siano ff una funzione definita in AA, aa un punto di accumulazione di AA e lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L. Allora esiste un δ>0\delta > 0 tale che, per ogni xx di AA con 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta, vale ∣f(x)∣<∣L∣+1\abs{f(x)} < \abs{L} + 1. Se inoltre L≠0L \neq 0, esiste un δ>0\delta > 0 tale che, per quegli stessi xx, f(x)f(x) ha il segno di LL e ∣f(x)∣>∣L∣2\abs{f(x)} > \frac{\abs{L}}{2}. Ogni affermazione è la definizione applicata a una sfida concreta: ε=1\varepsilon = 1 per la prima e ε=∣L∣2\varepsilon = \frac{\abs{L}}{2} per la seconda.

Dimostrazione

  1. 0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<10 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \dato{u}{\abs{f(x) - L} < 1}

    Con ε=1\varepsilon = 1, la definizione dà un δ\delta tale che i valori di ff distano da LL meno di 11.

  2. ∣f(x)∣≤∣f(x)−L∣+∣L∣<∣L∣+1\abs{f(x)} \leq \abs{f(x) - L} + \abs{L} < \resaltar{\abs{L} + 1}

    Per la disuguaglianza triangolare, il valore assoluto di f(x)f(x) non supera quello di LL più quella distanza.

  3. L−∣L∣2<f(x)<L+∣L∣2\dato{m}{L - \frac{\abs{L}}{2} < f(x) < L + \frac{\abs{L}}{2}}

    Se L≠0L \neq 0, con ε=∣L∣2\varepsilon = \frac{\abs{L}}{2}, che è positivo, la definizione dà un altro δ\delta, e f(x)f(x) sta nell’intervallo di centro LL e raggio ∣L∣2\frac{\abs{L}}{2}.

  4. L>0→f(x)>L2>0,L<0→f(x)<L2<0L > 0 \rightarrow f(x) > \resaltar{\frac{L}{2}} > 0, \qquad L < 0 \rightarrow f(x) < \resaltar{\frac{L}{2}} < 0

    Se L>0L > 0, l’estremo sinistro è L2\frac{L}{2}, che è positivo; se L<0L < 0, l’estremo destro è L2\frac{L}{2}, che è negativo. In entrambi i casi, f(x)f(x) ha il segno di LL ed è più lontano da 00 di ∣L∣2\frac{\abs{L}}{2}.

Con la definizione si può dimostrare il valore di qualsiasi limite, ma il lavoro cresce con la complessità della funzione. La lezione sull’algebra dei limiti dimostra, a partire da questa, le regole per la somma, il prodotto, il quoziente, le potenze e le radici, che permettono di calcolare la maggioranza dei limiti senza tornare ogni volta a cercare un δ\delta.

Problemi risolti

I problemi crescono in difficoltà: i primi tre costruiscono il δ\delta per un polinomio, una radice e un quoziente, ciascuno con il suo modo di maggiorare il fattore che accompagna ∣x−a∣\abs{x - a}; il quarto dimostra con la negazione della definizione che un limite non esiste; e l’ultimo cerca il più grande δ\delta che risponde a una sfida data.

Problema risolto 1Un polinomio di secondo grado

Dimostrare con la definizione che lim⁡x→2(x2+x)=6\lim_{x \to 2} (x^2 + x) = 6.

Soluzione

  1. ∣(x2+x)−6∣=∣x−2∣⋅∣x+3∣\abs{(x^2 + x) - 6} = \abs{x - 2} \cdot \dato{f}{\abs{x + 3}}

    Sia ε>0\varepsilon > 0. Poiché 22 è radice del polinomio x2+x−6x^2 + x - 6, questo ha il fattore x−2x - 2.

  2. ∣x−2∣<1→4<x+3<6→∣x+3∣<6\abs{x - 2} < 1 \rightarrow 4 < x + 3 < 6 \rightarrow \dato{c}{\abs{x + 3} < 6}

    Si restringe in anticipo il raggio a 11: allora xx è compreso tra 11 e 33, e il secondo fattore risulta maggiorato.

  3. δ=min⁡(1,ε6)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{6}\right)

    Con questa restrizione basta che 6∣x−2∣<ε6\abs{x - 2} < \varepsilon; si sceglie il minore dei due raggi.

  4. ∣(x2+x)−6∣=∣x−2∣∣x+3∣<ε6⋅6=ε\abs{(x^2 + x) - 6} = \abs{x - 2}\abs{x + 3} < \frac{\varepsilon}{6} \cdot 6 = \resaltar{\varepsilon}

    Se 0<∣x−2∣<δ0 < \abs{x - 2} < \delta, valgono le due condizioni, e ne segue la disuguaglianza richiesta.

Problema risolto 2Una radice quadrata

Dimostrare con la definizione che lim⁡x→4x=2\lim_{x \to 4} \sqrt{x} = 2, dove la funzione è definita in [0,∞)\ico{0}{\infty}.

Soluzione

  1. x−2=(x−2)(x+2)x+2=x−4x+2\sqrt{x} - 2 = \frac{(\sqrt{x} - 2)(\sqrt{x} + 2)}{\sqrt{x} + 2} = \dato{q}{\frac{x - 4}{\sqrt{x} + 2}}

    Sia ε>0\varepsilon > 0. Perché compaia x−4x - 4 si moltiplica e si divide per l’espressione coniugata, x+2\sqrt{x} + 2, che è positiva.

  2. ∣x−2∣=∣x−4∣x+2≤∣x−4∣2\abs{\sqrt{x} - 2} = \frac{\abs{x - 4}}{\sqrt{x} + 2} \leq \dato{c}{\frac{\abs{x - 4}}{2}}

    Il denominatore è almeno 22, perché x≥0\sqrt{x} \geq 0; questa volta non serve restringere il raggio, perché la maggiorazione vale in tutto il dominio.

  3. δ=2ε\delta = 2\varepsilon

    Basta, pertanto, che ∣x−4∣2<ε\frac{\abs{x - 4}}{2} < \varepsilon.

  4. ∣x−2∣≤∣x−4∣2<2ε2=ε\abs{\sqrt{x} - 2} \leq \frac{\abs{x - 4}}{2} < \frac{2\varepsilon}{2} = \resaltar{\varepsilon}

    Se x≥0x \geq 0 e 0<∣x−4∣<2ε0 < \abs{x - 4} < 2\varepsilon, si ottiene la disuguaglianza richiesta. Si esaminano solo gli xx del dominio: i negativi, in cui la radice non è definita, non contano, anche se sono vicini a 44 quando ε\varepsilon è grande.

Problema risolto 3Un quoziente

Dimostrare con la definizione che lim⁡x→31x=13\lim_{x \to 3} \frac{1}{x} = \frac{1}{3}, dove la funzione è definita in R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}.

Soluzione

  1. ∣1x−13∣=∣3−x3x∣=∣x−3∣3∣x∣\abs{\frac{1}{x} - \frac{1}{3}} = \abs{\frac{3 - x}{3x}} = \frac{\abs{x - 3}}{\dato{d}{3\abs{x}}}

    Sia ε>0\varepsilon > 0. Si riduce la differenza a denominatore comune.

  2. ∣x−3∣<1→x>2→3∣x∣>6\abs{x - 3} < 1 \rightarrow x > 2 \rightarrow \dato{c}{3\abs{x} > 6}

    Ora il fattore che accompagna ∣x−3∣\abs{x - 3} sta al denominatore, e bisogna impedire che questo si avvicini a 00. Se ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1, allora x>2x > 2, e il denominatore è maggiore di 66.

  3. δ=min⁡(1,6ε)\delta = \min(1, 6\varepsilon)

    Con questa restrizione, il quoziente è minore di ∣x−3∣6\frac{\abs{x - 3}}{6}, e basta che questa quantità sia minore di ε\varepsilon.

  4. ∣1x−13∣<∣x−3∣6<6ε6=ε\abs{\frac{1}{x} - \frac{1}{3}} < \frac{\abs{x - 3}}{6} < \frac{6\varepsilon}{6} = \resaltar{\varepsilon}

    Se 0<∣x−3∣<δ0 < \abs{x - 3} < \delta, valgono entrambe le condizioni. Senza la restrizione preliminare il metodo fallirebbe: vicino a x=0x = 0 il quoziente cresce senza limitazioni.

Problema risolto 4Una funzione che salta

La funzione segno, definita in R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}, vale 11 sui positivi e −1-1 sui negativi. Dimostrare che non ha limite per xx che tende a 00.

s(x)=x∣x∣s(x) = \frac{x}{\abs{x}}

Soluzione

  1. (∀L)(∃ε>0)(∀δ>0)(∃x)(0<∣x∣<δ∧∣s(x)−L∣≥ε)(\forall L)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x)\left(0 < \abs{x} < \delta \wedge \abs{s(x) - L} \geq \varepsilon\right)

    Lo 00 è punto di accumulazione del dominio. Bisogna dimostrare che nessun reale LL è il limite; per la negazione della definizione, basta trovare, per ogni LL, una sfida a cui nessun δ\delta risponda. Si propone ε=1\varepsilon = 1 per tutti gli LL.

  2. s(δ2)=1,s(−δ2)=−1s\left(\frac{\delta}{2}\right) = 1, \qquad s\left(-\frac{\delta}{2}\right) = -1

    Sia δ>0\delta > 0 qualsiasi. L’intorno bucato di raggio δ\delta contiene un positivo e un negativo, in cui la funzione vale 11 e −1-1.

  3. 2=∣1−(−1)∣≤∣1−L∣+∣L−(−1)∣2 = \abs{1 - (-1)} \leq \abs{1 - L} + \abs{L - (-1)}

    La distanza tra 11 e −1-1 è 22; per la disuguaglianza triangolare, le distanze da LL a quei due valori hanno somma almeno 22.

  4. ∣s(δ2)−L∣≥1∨∣s(−δ2)−L∣≥1\abs{s\left(\frac{\delta}{2}\right) - L} \geq 1 \vee \abs{s\left(-\frac{\delta}{2}\right) - L} \geq 1

    Ne segue che una delle due distanze è almeno 11: se entrambe fossero minori di 11, la loro somma sarebbe minore di 22.

  5. ¬(∃L)(lim⁡x→0s(x)=L)\neg (\exists L)\left(\lim_{x \to 0} s(x) = L\right)

    Così, per ogni LL, la sfida ε=1\varepsilon = 1 non ha risposta: nessuna striscia di larghezza 22 contiene contemporaneamente valori 11 e −1-1 con i suoi bordi esclusi. La funzione non ha limite in 00.

Problema risolto 5Il delta più grande

Per la funzione f(x)=x2f(x) = x^2 nel punto a=1a = 1, con L=1L = 1 e la sfida ε=12\varepsilon = \frac{1}{2}, determinare il più grande δ\delta che risponde alla sfida.

Soluzione

  1. ∣x2−1∣<12↔12<x2<32\abs{x^2 - 1} < \frac{1}{2} \leftrightarrow \frac{1}{2} < x^2 < \frac{3}{2}

    La condizione ∣x2−1∣<12\abs{x^2 - 1} < \frac{1}{2} significa che x2x^2 è compreso tra 12\frac{1}{2} e 32\frac{3}{2}.

  2. 12<x<32\sqrt{\frac{1}{2}} < x < \sqrt{\frac{3}{2}}

    Vicino a 11, gli xx sono positivi, e la condizione equivale a che xx sia compreso tra le radici quadrate degli estremi.

  3. 1−12≈0,293,32−1≈0,2251 - \sqrt{\frac{1}{2}} \approx 0{,}293, \qquad \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 \approx 0{,}225

    Le distanze di 11 dagli estremi sono diverse: la parabola sale più rapidamente a destra di 11, e l’estremo destro è più vicino.

  4. δ=32−1=6−22\delta = \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 = \resaltar{\frac{\sqrt{6} - 2}{2}}

    L’intervallo di centro 11 e raggio δ\delta deve essere contenuto nell’intervallo trovato; il suo raggio non può superare la minore delle due distanze, che risponde alla sfida.

  5. 0<32−1<δ′,∣(32)2−1∣=120 < \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 < \delta', \qquad \abs{\left(\sqrt{\frac{3}{2}}\right)^2 - 1} = \frac{1}{2}

    Nessun raggio maggiore va bene: se δ′>δ\delta' > \delta, il punto x=32x = \sqrt{\frac{3}{2}} dista da 11 meno di δ′\delta', e in esso la distanza di x2x^2 da 11 è esattamente 12\frac{1}{2}, che non è minore di ε\varepsilon.

Problemi proposti

I problemi crescono in difficoltà: i primi due ripetono, con altri polinomi, la tecnica di restringere il raggio; il terzo applica la negazione della definizione a una funzione che oscilla; il quarto esamina che cosa accade se si inverte l’ordine dei quantificatori; e l’ultimo studia una funzione che ha limite in un solo punto. Ciascuno ha un suggerimento, che conviene aprire solo dopo averlo tentato.

Problema proposto 1Un altro polinomio di secondo grado

Dimostrare con la definizione che lim⁡x→−1(2x2−3x)=5\lim_{x \to -1} (2x^2 - 3x) = 5.

Suggerimento

Scomponi 2x2−3x−52x^2 - 3x - 5: ha la radice −1-1. Restringi il raggio a 11 e maggiora l’altro fattore nell’intervallo che va da −2-2 a 00.

Risposta

Poiché 2x2−3x−5=(x+1)(2x−5)2x^2 - 3x - 5 = (x + 1)(2x - 5) e, se ∣x+1∣<1\abs{x + 1} < 1, allora ∣2x−5∣<9\abs{2x - 5} < 9, risponde:

δ=min⁡(1,ε9)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{9}\right)
Problema proposto 2Un cubo

Dimostrare con la definizione che lim⁡x→1x3=1\lim_{x \to 1} x^3 = 1.

Suggerimento

Usa la scomposizione della differenza di cubi, x3−1=(x−1)(x2+x+1)x^3 - 1 = (x - 1)(x^2 + x + 1), e maggiora il secondo fattore quando xx è compreso tra 00 e 22.

Risposta

Se ∣x−1∣<1\abs{x - 1} < 1, allora 0<x2+x+1<70 < x^2 + x + 1 < 7, sicché risponde:

δ=min⁡(1,ε7)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{7}\right)
Problema proposto 3Una funzione che oscilla

Dimostrare che la funzione sin⁡(1x)\sin\left(\frac{1}{x}\right), definita in R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}, non ha limite per xx che tende a 00.

Suggerimento

Segui il metodo del problema risolto 4. In ogni intorno bucato di centro 00 ci sono punti in cui la funzione vale 11 e punti in cui vale −1-1: cerca degli xx della forma 1π2+2nπ\frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi} e 13π2+2nπ\frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}, con nn naturale sufficientemente grande.

Risposta

Per ogni LL nessun δ\delta risponde alla sfida ε=1\varepsilon = 1, perché per nn grande i due punti seguenti distano da 00 meno di δ\delta, e in essi la funzione vale 11 e −1-1:

xn=1π2+2nπ,yn=13π2+2nπx_n = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}, \qquad y_n = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}
Soluzione svolta

Soluzione

  1. 0<13π2+2nπ<1π2+2nπ<12nπ<δ0 < \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi} < \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi} < \frac{1}{2n\pi} < \resaltar{\delta}

    Siano LL un reale e δ>0\delta > 0. Per la proprietà archimedea esiste un naturale nn con 2nπ>1δ2n\pi > \frac{1}{\delta}; allora i due punti seguenti sono positivi e minori di δ\delta.

  2. sin⁡(π2+2nπ)=1,sin⁡(3π2+2nπ)=−1\sin\left(\frac{\pi}{2} + 2n\pi\right) = 1, \qquad \sin\left(\frac{3\pi}{2} + 2n\pi\right) = -1

    Nel primo, 1x\frac{1}{x} è un angolo il cui seno è 11; nel secondo, uno il cui seno è −1-1.

  3. ∣1−L∣+∣L+1∣≥2→∣1−L∣≥1∨∣−1−L∣≥1\abs{1 - L} + \abs{L + 1} \geq 2 \rightarrow \abs{1 - L} \geq 1 \vee \abs{-1 - L} \geq 1

    Come nel problema risolto 4, le distanze da LL a 11 e a −1-1 hanno somma almeno 22, e una di esse è almeno 11. La sfida ε=1\varepsilon = 1 non ha risposta, per nessun LL.

Problema proposto 4L’ordine dei quantificatori

Siano ff una funzione definita in AA, aa un punto di accumulazione di AA ed LL un reale. Dimostrare che l’enunciato seguente, che si ottiene dalla definizione di limite scambiando i primi due quantificatori, vale se e solo se ff vale LL in tutti i punti di AA di qualche intorno bucato di centro aa. Lo soddisfa la funzione x2x^2 in a=3a = 3 con L=9L = 9?

(∃δ>0)(∀ε>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \delta > 0)(\forall \varepsilon > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)
Suggerimento

Se un numero non negativo è minore di ogni ε>0\varepsilon > 0, è 00: altrimenti, esso stesso sarebbe un ε\varepsilon di cui non è minore.

Risposta

Fissato il δ\delta dell’enunciato, ogni xx dell’intorno bucato soddisfa ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon per ogni ε>0\varepsilon > 0, dunque f(x)=Lf(x) = L; il viceversa è immediato. La funzione x2x^2 non lo soddisfa in 33, benché il suo limite lì sia 99, perché non è costante in nessun intervallo:

(3+δ2)2≠9\left(3 + \frac{\delta}{2}\right)^2 \neq 9
Soluzione svolta

Soluzione

  1. (∀ε>0)(∣f(x)−L∣<ε)\dato{t}{(\forall \varepsilon > 0)\left(\abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)}

    Supponiamo l’enunciato, e sia δ\delta il raggio che esso afferma. Prendiamo un xx di AA con 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta; la disuguaglianza vale per ogni ε\varepsilon positivo.

  2. ∣f(x)−L∣<∣f(x)−L∣→⊥,f(x)=L\abs{f(x) - L} < \abs{f(x) - L} \rightarrow \bot, \qquad \resaltar{f(x) = L}

    Se ∣f(x)−L∣\abs{f(x) - L} fosse positivo, si potrebbe prendere ε=∣f(x)−L∣\varepsilon = \abs{f(x) - L}, e la disuguaglianza direbbe che un numero è minore di sé stesso. Pertanto è 00, e f(x)=Lf(x) = L.

  3. 0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣=0<ε0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} = 0 < \varepsilon

    Viceversa, se ff vale LL nei punti di AA di un intorno bucato di raggio δ\delta, quello stesso δ\delta va bene per ogni ε\varepsilon, perché la distanza è 00.

  4. 0<∣x−3∣<6→x2≠90 < \abs{x - 3} < 6 \rightarrow x^2 \neq 9

    La funzione x2x^2 non vale 99 in nessun punto diverso da 33 vicino a esso, sicché non soddisfa l’enunciato, benché soddisfi la definizione di limite. L’enunciato invertito non è un altro modo di dire la stessa cosa, ma un’affermazione molto più forte.

Problema proposto 5Un limite in un solo punto

La funzione seguente vale xx sui razionali e 00 sugli irrazionali. Dimostrare che il suo limite in 00 è 00, e che non ha limite in nessun punto a≠0a \neq 0.

h(x)={xx∈Q0x∉Qh(x) = \begin{cases} x & x \in \mathbb{Q} \\ 0 & x \notin \mathbb{Q} \end{cases}
Suggerimento

In 00, osserva che ∣h(x)∣≤∣x∣\abs{h(x)} \leq \abs{x} in tutti i casi. In a≠0a \neq 0, proponi la sfida ε=∣a∣3\varepsilon = \frac{\abs{a}}{3} e usa il fatto che in ogni intervallo ci sono razionali e irrazionali, come si è dimostrato nella lezione sulla retta reale: un irrazionale vicino obbliga LL a essere vicino a 00, e un razionale vicino, a essere vicino ad aa.

Risposta

In 00 risponde δ=ε\delta = \varepsilon. In a≠0a \neq 0, se LL fosse il limite, un irrazionale yy e un razionale xx dell’intorno bucato di raggio min⁡(δ,∣a∣3)\min\left(\delta, \frac{\abs{a}}{3}\right) darebbero contemporaneamente le due disuguaglianze seguenti, che sono incompatibili:

∣L∣<∣a∣3,∣L∣>∣x∣−∣a∣3>∣a∣3\abs{L} < \frac{\abs{a}}{3}, \qquad \abs{L} > \abs{x} - \frac{\abs{a}}{3} > \frac{\abs{a}}{3}
Soluzione svolta

Soluzione

  1. 0<∣x∣<ε→∣h(x)−0∣≤∣x∣<ε0 < \abs{x} < \varepsilon \rightarrow \abs{h(x) - 0} \leq \abs{x} < \varepsilon

    In 00: sui razionali ∣h(x)∣=∣x∣\abs{h(x)} = \abs{x}, e sugli irrazionali ∣h(x)∣=0\abs{h(x)} = 0; in entrambi i casi, la distanza di h(x)h(x) da 00 non supera quella di xx da 00, e risponde δ=ε\delta = \varepsilon.

  2. δ′=min⁡(δ,∣a∣3)\delta' = \min\left(\delta, \frac{\abs{a}}{3}\right)

    Sia a≠0a \neq 0 e supponiamo che LL sia il limite in aa. Con ε=∣a∣3\varepsilon = \frac{\abs{a}}{3} c’è un δ\delta che risponde, e lo si riduce, se necessario, a ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}.

  3. ∣0−L∣<∣a∣3→∣L∣<∣a∣3\abs{0 - L} < \frac{\abs{a}}{3} \rightarrow \dato{i}{\abs{L} < \frac{\abs{a}}{3}}

    Nell’intorno bucato di raggio δ′\delta' c’è un irrazionale yy, in cui hh vale 00: il limite resta vicino a 00.

  4. ∣x−L∣<∣a∣3,∣x∣>∣a∣−∣a∣3=2∣a∣3\abs{x - L} < \frac{\abs{a}}{3}, \qquad \dato{r}{\abs{x} > \abs{a} - \frac{\abs{a}}{3} = \frac{2\abs{a}}{3}}

    C’è anche un razionale xx, in cui hh vale xx. Poiché xx dista da aa meno di ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}, il suo valore assoluto è maggiore di 2∣a∣3\frac{2\abs{a}}{3}.

  5. ∣L∣≥∣x∣−∣x−L∣>2∣a∣3−∣a∣3=∣a∣3\abs{L} \geq \abs{x} - \abs{x - L} > \frac{2\abs{a}}{3} - \frac{\abs{a}}{3} = \resaltar{\frac{\abs{a}}{3}}

    Per la disuguaglianza triangolare, ∣L∣\abs{L} sarebbe contemporaneamente minore e maggiore di ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}: contraddizione. Non c’è limite in aa.