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Topos Uranos

O teorema do confronto e os limites trigonométricos

Resumo

Esta aula obtém limites que as regras da álgebra dos limites não alcançam, comparando a função com outras cujo limite se conhece. Primeiro demonstra-se que os limites conservam as desigualdades não estritas; depois, o teorema do confronto, que se reduz ao critério da cota da aula precedente sem nenhum argumento épsilon-delta novo, e seu caso mais usado: o produto de uma função limitada por outra que tende a zero. Com a cota do seno, demonstrada em Álgebra e Geometria II, prova-se que o seno e o cosseno têm limite em todo ponto, igual a seu valor. A desigualdade entre o seno, o arco e a tangente dá então o limite fundamental lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1, do qual as regras já conhecidas deduzem os demais limites trigonométricos. Os problemas aplicam o teorema do confronto, calculam limites trigonométricos com mudanças de variável e obtêm o limite de arctan⁡yy\frac{\arctan y}{y}.

Objetivos de aprendizagem

  1. Demonstrar a conservação das desigualdades, com a conservação do sinal, e, com o critério da cota, o teorema do confronto e o limite do produto de uma função limitada por outra que tende a zero.
  2. Demonstrar que o seno e o cosseno têm limite em todo ponto, igual a seu valor, e deduzir o da tangente.
  3. Demonstrar o limite fundamental lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 e deduzir dele os limites de tan⁡xx\frac{\tan x}{x}, sin⁡kxx\frac{\sin kx}{x}, 1−cos⁡xx2\frac{1 - \cos x}{x^2} e 1−cos⁡xx\frac{1 - \cos x}{x}.
  4. Calcular limites por comparação e limites trigonométricos, justificando cada passo com os teoremas da aula.

Limites que as regras não alcançam

Na aula sobre a álgebra dos limites, toda forma 00\frac{0}{0} foi resolvida transformando a expressão até simplificar um fator comum. O quociente sin⁡xx\frac{\sin x}{x}, quando xx tende a 00, não admite esse tratamento: o seno não é um polinômio, e nenhuma fatoração faz aparecer o fator xx no numerador. Tampouco a regra do produto decide o limite de xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x} em 00, porque o fator sin⁡1x\sin \frac{1}{x} não tem limite, como se pediu demonstrar no problema proposto 3 da aula sobre o limite de funções de uma variável real.

Ora, em ambos os casos a função fica presa entre outras duas mais simples: o valor absoluto de xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x} não excede ∣x∣\abs{x}, e o quociente sin⁡xx\frac{\sin x}{x} está, como se verá, entre cos⁡x\cos x e 11. Se isso é assim, convém demonstrar uma única vez que uma função presa entre duas que tendem ao mesmo número tende também a ele. As demonstrações desta aula seguem o plano da precedente: cada resultado se reduz a uma desigualdade, e o critério da cota, ou a ferramenta que dele se deduziu, faz o resto.

Mantêm-se as convenções da aula precedente: ff, gg e hh são funções reais definidas num mesmo conjunto AA, o ponto aa é de acumulação de AA, e que algo se cumpra «perto de aa» significa que existe um r>0r > 0 tal que todo xx de AA com 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r o cumpre. Recorde-se a ferramenta com que terminou a seção dos três lemas: se lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L e lim⁡x→ag(x)=M\lim_{x \to a} g(x) = M, toda função FF que cumpra perto de aa uma cota como a que vem a seguir, com C>0C > 0, tende a KK.

∣F(x)−K∣≤C(∣f(x)−L∣+∣g(x)−M∣)\abs{F(x) - K} \leq C\left(\abs{f(x) - L} + \abs{g(x) - M}\right)