Riepilogo
Questa lezione studia le funzioni i cui valori crescono o decrescono senza limitazioni. Completa lo schema comune delle definizioni di limite con la casella che mancava, quella del valore vicino a , e distingue i limiti infiniti, che sono un modo preciso di non avere limite, dalle altre forme di divergenza. Un solo lemma, quello del reciproco, riconduce i limiti infiniti a limiti uguali a zero, in modo che le regole per la somma, il prodotto e il quoziente si deducono da quelle dell’algebra dei limiti; solo il confronto per i limiti infiniti, il teorema delle funzioni monotone illimitate e la composizione richiedono un argomento proprio. Con essi si completano due risultati che le lezioni che precedono avevano lasciato a metà: il quoziente con denominatore che tende a zero e le funzioni razionali con numeratore di grado maggiore. La lezione mostra anche perché le forme indeterminate non sono regole, e termina con la composizione con limiti infiniti.
Obiettivi di apprendimento
- Definire con lo schema della sfida e della risposta i limiti infiniti, in un punto, da un lato e all’infinito, e distinguerli dalle altre forme di divergenza.
- Dimostrare il lemma del reciproco e dedurre da esso e dal confronto per i limiti infiniti le regole per la somma, il prodotto e il quoziente con limiti infiniti.
- Riconoscere le forme indeterminate e mostrare con esempi che possono dare qualsiasi risultato.
- Calcolare limiti infiniti di polinomi, funzioni razionali, funzioni trigonometriche e composizioni, e dimostrare il teorema delle funzioni monotone illimitate.
La casella che mancava
Nella lezione sui limiti quando la variabile tende all’infinito si è descritto uno schema comune: ogni definizione di limite è una sfida sui valori con una risposta sulla variabile, e cambia soltanto che cosa significhi essere vicino a ciascuna delle due cose. Per la variabile si sono già usate tutte le forme: vicino a un numero , da un lato di esso, o vicino a . Per i valori, una sola: vicino a un numero . Questa lezione completa lo schema con la forma restante, in cui il valore è vicino a , cioè , o vicino a , cioè .
Sia un punto di accumulazione del dominio di . Si dice che tende all’infinito per che tende ad , e si scrive , se per ogni reale esiste un tale che per ogni di con . Allo stesso modo, se per ogni esiste un tale che in quegli .
Scritta con i quantificatori, la definizione ha la forma di sempre; la sfida è ora un semipiano superiore, quello dei punti con ordinata maggiore di :
Le varianti si ottengono cambiando soltanto la risposta, come nelle lezioni che precedono: se la condizione vale per ; se esiste un tale che essa vale per ; e così negli altri casi. In ciò che segue, indica una qualsiasi delle destinazioni della variabile (, , , o ), e «vicino a » significa in un intorno bucato, da un lato o in una semiretta, secondo il caso. Tutte le dimostrazioni della lezione usano una sola proprietà comune: due condizioni che valgono vicino a valgono insieme vicino a , prendendo il minore di due raggi o la maggiore di due soglie. I teoremi sui limiti finiti che si citano in una destinazione qualsiasi (l’unicità, la limitatezza locale, la permanenza del segno, l’algebra dei limiti e i lemmi della lezione sull’algebra dei limiti) valgono in tutte grazie alla lezione sui limiti unilaterali e al lemma di inversione della lezione che precede, la cui corrispondenza tra la soglia e il raggio trasporta allo stesso modo i limiti infiniti, perché non dipende dalla forma della sfida.
Conviene insistere su ciò che la scrittura dice. Se , la funzione non ha limite in nel senso della lezione sul limite di funzioni di una variabile reale, perché non è limitata vicino ad , e la limitatezza locale dice che una funzione che ha limite lo è. L’uguaglianza con descrive un modo preciso di non avere limite. Si dice che diverge in se non vi ha limite finito; tendere a o a sono due modi di divergere, ma non gli unici. La funzione diverge in ed è limitata; la funzione diverge in , non è limitata vicino a e, tuttavia, non tende né a né a , perché si annulla in punti vicini a quanto si vuole.
. Invece, e , sicché non tende né a né a per che tende a . La risposta alla sfida è la radice del reciproco di . Nella figura, il semipiano superiore è la sfida; la striscia verticale accanto a , la risposta.
Dimostrazione
Sia un reale; basta considerare , perché rispondere a una sfida maggiore risponde a tutte le minori. Si prende come risposta la radice quadrata del suo reciproco.
Se , il quadrato di è positivo e minore di ; passando ai reciproci di numeri positivi, la disuguaglianza si inverte.
Per da destra, la proposizione del reciproco della lezione che precede dà la risposta . Da sinistra, è l’opposto di , e sta a destra di : i valori sono minori di .
In ogni intorno bucato di centro ci sono valori di maggiori di e minori di : nessun risponde alla sfida per , né alla sfida per .
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