1. Noción intuitiva de límite

El concepto de límite describe el comportamiento de una función $f(x)$ cuando la variable independiente $x$ se aproxima a un valor fijo $a$, sin necesariamente alcanzarlo. No nos interesa el valor de $f$ en $a$ (que podría no estar definido), sino la tendencia de $f(x)$ en las cercanías de $a$.

Idea intuitiva

Decimos que el límite de $f(x)$ cuando $x$ tiende a $a$ es $L$, y escribimos $\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = L$, si podemos hacer que $f(x)$ esté tan cerca de $L$ como queramos, siempre que $x$ se encuentre suficientemente próximo a $a$ (pero $x \neq a$).

Consideremos la función $f(x)=\dfrac{x^{2}-1}{x-1}$. Notemos que $f$ no está definida en $x=1$ (se anula el denominador). Sin embargo, para $x\neq 1$ podemos simplificar la expresión:

$$f(x)=\frac{x^{2}-1}{x-1}=\frac{(x-1)(x+1)}{x-1}=x+1,\qquad x\neq 1$$

Construimos una tabla con valores de $f(x)$ para $x$ cercanos a $1$, tanto por izquierda como por derecha:

$x$0.90.990.999→ 1 ←1.0011.011.1
$f(x)$1.91.991.999?2.0012.012.1

Se observa que a medida que $x$ se aproxima a $1$, los valores de $f(x)$ se aproximan a $2$. Concluimos que:

$$\lim_{x \to 1} \frac{x^{2}-1}{x-1}=2$$

El valor del límite existe aunque la función no esté definida en $x=1$. El límite describe la tendencia, no necesariamente el valor puntual.

2. Definición formal épsilon-delta

La noción intuitiva de «acercarse» debe formalizarse para poder demostrar teoremas con rigor. La definición $\varepsilon$-$\delta$, introducida por Cauchy y Weierstrass, captura la idea de aproximación arbitraria.

Definición de límite finito

Sea $f$ una función definida en un intervalo abierto alrededor de $a$, excepto posiblemente en $a$ mismo. Decimos que

$$\lim_{x \to a} f(x)=L$$

si para cada número $\varepsilon>0$ (por más pequeño que sea) existe un número $\delta>0$ tal que

$$0<|x-a|<\delta \quad\Longrightarrow\quad |f(x)-L|<\varepsilon$$

En palabras: podemos garantizar que $f(x)$ difiere de $L$ en menos de $\varepsilon$ siempre que $x$ difiera de $a$ en menos de $\delta$, sin ser igual a $a$. La condición $0&lt;|x-a|$ excluye explícitamente el punto $x=a$.

Geométricamente, dado un «tubo» horizontal de altura $2\varepsilon$ alrededor de $L$, existe un intervalo $(a-\delta,\,a+\delta)$ (excluyendo $a$) cuya imagen está completamente contenida en ese tubo. Cuanto más pequeño sea $\varepsilon$, más pequeño será el $\delta$ requerido.

3. Propiedades de límites

Supongamos que $\displaystyle\lim_{x \to a} f(x)=L$ y $\displaystyle\lim_{x \to a} g(x)=M$, con $L,M\in\mathbb{R}$. Entonces se cumplen las siguientes propiedades algebraicas.

Propiedades fundamentales

  • Suma: $\displaystyle\lim_{x \to a}\bigl[f(x)+g(x)\bigr] = L+M$
  • Resta: $\displaystyle\lim_{x \to a}\bigl[f(x)-g(x)\bigr] = L-M$
  • Producto: $\displaystyle\lim_{x \to a}\bigl[f(x)\,g(x)\bigr] = L\cdot M$
  • Cociente: $\displaystyle\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{L}{M}$, siempre que $M\neq 0$
  • Constante: $\displaystyle\lim_{x \to a} c = c$, para cualquier $c\in\mathbb{R}$
  • Múltiplo escalar: $\displaystyle\lim_{x \to a} k\cdot f(x) = k\cdot L$

Estas reglas permiten «descomponer» límites complejos en partes más simples. A continuación las expresamos en forma de ecuaciones:

$$\lim_{x \to a}\bigl[f(x)+g(x)\bigr]=\lim_{x \to a}f(x)+\lim_{x \to a}g(x)$$
$$\lim_{x \to a}\bigl[f(x)\cdot g(x)\bigr]=\lim_{x \to a}f(x)\;\cdot\;\lim_{x \to a}g(x)$$
$$\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{\displaystyle\lim_{x \to a}f(x)}{\displaystyle\lim_{x \to a}g(x)},\qquad \lim_{x \to a}g(x)\neq 0$$
$$\lim_{x \to a}c=c,\qquad c\in\mathbb{R}$$

4. Unicidad del límite

Un teorema central de la teoría de límites afirma que si el límite existe, es único. Una función no puede tender a dos valores distintos cuando $x$ se aproxima a $a$.

Teorema: Unicidad del límite

Si $\displaystyle\lim_{x \to a}f(x)=L$ y $\displaystyle\lim_{x \to a}f(x)=M$, entonces $L=M$.

Demostración (bosquejo)

Dado $\varepsilon>0$, existen $\delta_1,\delta_2>0$ tales que $|f(x)-L|<\varepsilon/2$ cuando $0<|x-a|<\delta_1$, y $|f(x)-M|<\varepsilon/2$ cuando $0<|x-a|<\delta_2$. Tomando $\delta=\min\{\delta_1,\delta_2\}$, para $0<|x-a|<\delta$ se tiene por desigualdad triangular:

$$|L-M|\le |L-f(x)|+|f(x)-M|<\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon$$

Como $\varepsilon$ es arbitrario, debe ser $|L-M|=0$, de donde $L=M$. $\quad\blacksquare$

Este resultado se demuestra directamente a partir de la definición $\varepsilon$-$\delta$ y justifica que hablemos de el límite (no de un límite).

5. Álgebra de límites y cálculo directo

Cuando las funciones involucradas son polinomios o funciones racionales cuyo denominador no se anula en $a$, el límite puede calcularse por sustitución directa.

Límites de polinomios

Si $p(x)=c_n x^{n}+c_{n-1}x^{n-1}+\cdots+c_1 x+c_0$, entonces:

$$\lim_{x \to a} p(x)=p(a)=c_n a^{n}+c_{n-1}a^{n-1}+\cdots+c_1 a+c_0$$

Límites de funciones racionales

Si $r(x)=\dfrac{p(x)}{q(x)}$ y $q(a)\neq 0$, entonces:

$$\lim_{x \to a} \frac{p(x)}{q(x)}=\frac{p(a)}{q(a)}$$

Ejemplo: $\displaystyle\lim_{x\to 2}(3x^{2}-5x+1)=3(4)-5(2)+1=12-10+1=3$.

Ejemplo: $\displaystyle\lim_{x\to -1}\frac{x^{2}+3x+2}{x+2}=\frac{1-3+2}{1}=0$ (el denominador en $x=-1$ es $1\neq 0$).

Caso $0/0$: simplificación previa

Cuando tanto el numerador como el denominador se anulan en $x=a$, debemos factorizar y simplificar antes de evaluar, como en el ejemplo inicial $\frac{x^{2}-1}{x-1}$.

6. Límites laterales

En ocasiones interesa estudiar el comportamiento de $f(x)$ cuando $x$ se aproxima a $a$ exclusivamente por un lado. Esto da lugar a los límites laterales.

Límite por izquierda

El límite cuando $x$ tiende a $a$ por valores menores que $a$ (por la izquierda) se denota:

$$\lim_{x \to a^{-}} f(x)=L$$

Límite por derecha

El límite cuando $x$ tiende a $a$ por valores mayores que $a$ (por la derecha) se denota:

$$\lim_{x \to a^{+}} f(x)=L$$

Teorema: Existencia del límite

El límite ordinario $\displaystyle\lim_{x \to a}f(x)$ existe y es igual a $L$ si y solo si existen ambos límites laterales y coinciden:

$$\lim_{x \to a}f(x)=L \quad\Longleftrightarrow\quad \lim_{x \to a^{-}}f(x)=\lim_{x \to a^{+}}f(x)=L$$

Ejemplo: Sea $g(x)=\begin{cases}x+1,& x<2\\ x^{2}-1,& x>2\end{cases}$. Entonces $\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}}g(x)=3$ y $\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}}g(x)=3$, por lo que $\displaystyle\lim_{x\to 2}g(x)=3$.

7. Límites trigonométricos notables

Dos límites fundamentales aparecen repetidamente en el cálculo de derivadas de funciones trigonométricas y en desarrollos en serie.

Límite fundamental 1

$$\lim_{x \to 0} \frac{\operatorname{sen} x}{x}=1$$

Este resultado se demuestra geométricamente mediante la desigualdad $\cos x \le \frac{\operatorname{sen} x}{x} \le 1$ para $x\in(0,\pi/2)$, y aplicando el teorema del emparedado (sandwich).

Límite fundamental 2

$$\lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x}=0$$

Se obtiene multiplicando numerador y denominador por $1+\cos x$:

$$\frac{1-\cos x}{x}\cdot\frac{1+\cos x}{1+\cos x}=\frac{1-\cos^{2} x}{x(1+\cos x)}=\frac{\operatorname{sen}^{2}x}{x(1+\cos x)}=\frac{\operatorname{sen} x}{x}\cdot\frac{\operatorname{sen} x}{1+\cos x}\xrightarrow[x\to 0]{}1\cdot 0=0$$

Estos límites son la base para deducir las derivadas de $\operatorname{sen} x$ y $\cos x$ en el Capítulo 4.

Cuestionario

1. ¿Qué valor tiene $\displaystyle\lim_{x \to 2}\frac{x^{2}-4}{x-2}$?

2. En la definición $\varepsilon$-$\delta$, el valor de $\delta$ depende de:

3. Si $\lim_{x\to a}f(x)=L$ y $\lim_{x\to a}g(x)=M$, entonces $\lim_{x\to a}[f(x)+g(x)]$ es:

4. Si un límite existe, su valor es:

5. $\displaystyle\lim_{x \to 3}\frac{x^{2}-9}{x-3}$ es igual a:

6. Para que $\lim_{x\to a}f(x)$ exista, los límites laterales deben ser:

7. El límite notable $\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\operatorname{sen} x}{x}$ es igual a:

8. $\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{1-\cos x}{x}$ es igual a:

9. El límite de una constante $c$ cuando $x\to a$ es:

10. El límite de un polinomio $p(x)$ cuando $x\to a$ se calcula como: