Verifica di un limite infinito di una funzione per x che tende ad infinito

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Nella precedente lezione abbiamo visto la teoria relativa al limite infinito di una funzione per x che tende ad infinito. Ora vedremo come si effettua la verifica di un limite infinito di una funzione per x che tende ad infinito.

La verifica di un limite infinito di una funzione per x che tende ad infinito si effettua in modo simile alle altre verifiche di limiti che abbiamo visto 🙂 Il concetto è sempre lo stesso: controllare i requisiti della definizione formale e fare dei calcoli per vedere quando tali requisiti sono soddisfatti.

 

Esempio 1

Verificare che:

\[ \lim_{x \to +\infty} x^2 =+\infty \]

 

Ricordate la definizione? Dire che esiste tale limite equivale a dire che:

\[ \forall \: M>0 \: \exists \: k_M > 0 \quad \text{t. c.} \quad \forall \: x \in D_f \:\: \text{t.c.} \: x> k_{M} \quad \text{si ha} \quad f(x)>M \]

La definizione richiede inoltre che la funzione sia definita in ​\( D_f \)​ illimitato superiormente. Nel nostro caso ci siamo, poiché ​\( f(x) = x^2 \)​ è definita in tutti i reali 😉 Quindi, detta in soldoni la funzione è definita per x grandi quanto vogliamo.

Ora, le condizioni appena espresse in linguaggio matematico cosa significano? Equivalgono semplicemente a richiedere che la disequazione ​\( f(x) > M \)​ abbia almeno una soluzione del tipo ​\( x>k_{M} \)​. Tale disequazione dovrà cioè essere soddisfatta per x maggiore di una certa quantità dipendente da M.

Ci chiediamo dunque quando:

\[ x^2>M \]

Non ci resta che risolvere rispetto ad x la disequazione (trattando la M come un numero) e vedere se fra le soluzioni c’è un intervallo del tipo ​\( ]k_M, \: +\infty[ \)​.

La precedente disequazione equivale a:

\[ x^2-M > 0 \]

L’equazione di secondo grado associata è:

\[ x^2-M = 0 \]

ed ammette le soluzioni:

\[ x_{1,2} = \pm \sqrt{M} \]

La disequazione si può a questo punto risolvere col metodo della parabola 😉 La parabola corrispondente alla funzione ​\( y=x^2-M \)​ ha concavità verso l’alto (coefficiente della ​\( x^2 \)​ positivo) e la disequazione è dunque risolta per valori esterni agli zeri (le soluzioni dell’associata).

Quindi, l’insieme delle soluzioni della disequazione è:

\[ S = ]-\infty, \: -\sqrt{M}[ \quad \cup \quad ]\sqrt{M}, \: +\infty[ \]

E’ di nostro interesse il secondo intervallo dell’insieme delle soluzioni, cioè la soluzione:

\[ x>\sqrt{M} \]

A questo punto siamo arrivati, perché abbiamo trovato ciò che volevamo. Infatti, la condizione ​\( f(x)>M \)​ è rispettata per tutti gli ​\( x > \sqrt{M} \)​. Abbiamo dunque il nostro ​\( k_M \)​, che è proprio ​\( \sqrt{M} \)​ 🙂

Il limite è dunque verificato 😉

 

Esempio 2

Verificare:

\[ \lim_{x \to +\infty}\dfrac{x^2-3}{x}=+\infty \]

 

Si tratta di verificare che la disequazione:

\[ \dfrac{x^2-3}{x}>M \qquad 1) \]

sia soddisfatta per:

\[ x>k_{M} \]

Analogamente a prima, vediamo se riusciamo a trovare il ​\( k_M \)​ che soddisfa la relazione appena scritta.

Sviluppiamo la disequazione 1:

\[ \dfrac{x^2-3}{x}>M \]

\[ \dfrac{x^2-3}{x}-M>0 \]

\[ \dfrac{x^2-3-Mx}{x}>0 \]

Siamo di fronte ad una disequazione fratta. Come nel primo esempio, dobbiamo risolvere in ​\( x \)​ trattando ​\( M \)​ come un numero. Studiamo il segno della frazione guardando quando numeratore e denominatore sono positivi o negativi.

Chiediamoci quando il numeratore è positivo, cioè quando:

\[ x^2-Mx-3 > 0 \quad \text{?} \]

Risolviamo la equazione associata:

\[ x^2-Mx-3=0 \]

Questa ha soluzioni:

\[ x_1 = \dfrac{1}{2}(M-\sqrt{M^2+12}), \qquad x_2 = \dfrac{1}{2}(M+\sqrt{M^2+12}) \]

Lo studio del segno del denominatore è banale. Infatti, sarà positivo semplicemente se ​\( x>0 \)​.

Ora, per disegnare il diagramma dello studio dei segni, dobbiamo sapere se ​\( x_1 \)​ e ​\( x_2 \)​ sono positivi o negativi. Siccome questi dipendono da ​\( M \)​ non possiamo dirlo senza un ragionamento 😉

Sappiamo dalla definizione di limite del caso in esame che ​\( M>0 \)​. Dunque, ​\( x_2 \)​ è sempre positivo.

Ci rimane da studiare il segno di ​\( x_1 \)​. Qui è meno ovvio, perché anche l’informazione ​\( M>0 \)​ non ci dice nulla di certo sul segno di ​\( x_1 \)​, data la presenza di un segno meno prima della radice.

Vediamo che ​\( x_1 \)​ è il prodotto di due fattori. Il fattore ​\( \dfrac{1}{2} \)​ è ovviamente sempre positivo. Dobbiamo vedere come si comporta l’altro fattore, e cioè ​\( M-\sqrt{M^2+12} \)​.

Proviamo a vedere quando è positivo:

\[ M-\sqrt{M^2+12}>0 \]

\[ -\sqrt{M^2+12}>-M \]

\[ \sqrt{M^2+12} \: < M \: \]

\[ M^2+12 < M^2 \qquad \text{(ricordiamo che M > 0)} \]

Questo non si verifica evidentemente mai, per cui sicuramente il termine ​\( M-\sqrt{M^2+12} \)​ è sempre negativo. Di conseguenza, ​\( x_1 \)​ è sempre negativo.

Possiamo ora disegnare il diagramma dello studio dei segni della frazione, certi di posizionare correttamente i termini ​\( x_1 \)​ e ​\( x_2 \)​ rispetto allo zero.

Verifica di un limite infinito di una funzione per x che tende ad infinito

Le soluzioni della disequazione fratta sono dunque:

\[ S = ]x_1, 0[ \quad \cup \quad ]x_2, \: +\infty[ \]

La soluzione che ci interessa è il secondo intervallo. Possiamo esprimere questo insieme come:

\[ x > x_2 \]

Possiamo dunque affermare che la relazione:

\[ f(x) > M \]

è soddisfatta per ogni ​\( x > k_\epsilon \)​, prendendo ​\( k_\epsilon = x_2 \)​.

Il limite è dunque verificato. 🙂

 

Lavoriamo ora sempre con questa funzione e come ulteriore esercizio dimostriamo che:

\[ \lim_{x \to -\infty} \dfrac{x^2-3}{x}=-\infty \]

 

Prendiamo come al solito un arbitrario ​\( M > 0 \)​. Dimostrare l’esistenza del limite equivale a dimostrare che la relazione ​\( \dfrac{x^2-3}{x}< \: M \: \)​ sia verificata per tutti i valori della ​\( x \)​ minori di un certo ​\( k_M>0 \)​ dipendente da ​\( M \)​.

Dando un’occhiata allo studio dei segni fatto in precedenza, vediamo subito che la funzione è negativa per:

\[ x < \dfrac{1}{2}(M-\sqrt{M^2+12} ) \]

e per:

\[ 0<x<\dfrac{1}{2}(M+\sqrt{M^2+12}) \]

Il secondo intervallo di soluzioni non ci dice niente per la verifica del limite. E’ invece il primo intervallo ciò che ci interessa per poter verificare il limite 🙂 Esso infatti ci permette di dire che abbiamo trovato il ​\( k_\epsilon \)​ cercato. Infatti, possiamo dire che la condizione di limite è rispettata per ogni ​\( x \)​ minore di ​\( k_\epsilon = \dfrac{1}{2}(M-\sqrt{M^2+12}) \)​.

 

A questo punto c’è una bella notizia: abbiamo completato tutti i tipi di verifiche dei limiti, per cui d’ora in poi potrete verificare tutti i limiti che volete 🙂

Non perdetevi la prossima lezione, nella quale introdurremo il concetto di limite destro e sinistro 🙂

Buono studio con Altramatica, a presto!