L’analisi matematica nasce da una domanda apparentemente semplice: a cosa “tende” una funzione quando la sua variabile si avvicina a un certo valore? Il concetto di limite è la risposta rigorosa a questa domanda e costituisce il fondamento su cui si costruiscono derivate, integrali e tutti gli strumenti dell’analisi. Il capitolo parte dai paradossi di Zenone (dove infiniti termini sommano un valore finito), introduce gli strumenti preliminari — intorno e punto di accumulazione — che dicono quando ha senso fare un limite, poi il concetto intuitivo di limite e i suoi quattro casi fondamentali. Segue la classificazione in forme determinate e indeterminate e le quattro strategie per sciogliere queste ultime: funzioni equivalenti, gerarchia degli infiniti, scomposizione in fattori e razionalizzazione. Chiudono il capitolo il trucco ABeBlnAA^B\to e^{B\ln A} per le forme esponenziali e lo studio degli asintoti.

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Esercizi

Mathematical analysis is born from an apparently simple question: what does a function “tend” to when its variable approaches a certain value? The concept of the limit is the rigorous answer to this question and constitutes the foundation on which derivatives, integrals and all the tools of analysis are built. The chapter starts from Zeno’s paradoxes (where infinitely many terms sum to a finite value), introduces the preliminary tools — neighbourhood and accumulation point — which tell us when it makes sense to take a limit, then the intuitive concept of a limit and its four fundamental cases. There follows the classification into determinate and indeterminate forms and the four strategies for resolving the latter: equivalent functions, hierarchy of infinities, factorisation and rationalisation. The chapter closes with the trick ABeBlnAA^B\to e^{B\ln A} for exponential forms and the study of asymptotes.

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Exercises

Osservazione — Il cambio di variabile

In molti limiti il trucco decisivo è un cambio di variabile: se xx0x\to x_0 e l’espressione coinvolge una quantità g(x)0g(x)\to 0, si pone t=g(x)t = g(x) e si riscrive tutto in funzione di t0t\to 0, riconducendosi a un limite notevole.

Esempio

limx0sin(x2)x2.\lim_{x\to 0}\frac{\sin(x^2)}{x^2}. Poniamo t=x2t = x^2, con t0t\to 0: l’espressione diventa sintt1\dfrac{\sin t}{t}\to 1.

La sostituzione trasforma un limite dall’aspetto insolito in un limite notevole già noto: è spesso il primo tentativo da fare quando si riconosce, “annidata” nell’espressione, una quantità infinitesima.

Collegamenti

Argomenti: Limiti
Concetti: Cambio di variabile · Limiti notevoli
Competenze: Calcolare limiti

Observation — The change of variable

In many limits the decisive trick is a change of variable: if xx0x\to x_0 and the expression involves a quantity g(x)0g(x)\to 0, one sets t=g(x)t = g(x) and rewrites everything as a function of t0t\to 0, reducing to a standard limit.

Example

limx0sin(x2)x2.\lim_{x\to 0}\frac{\sin(x^2)}{x^2}. We set t=x2t = x^2, with t0t\to 0: the expression becomes sintt1\dfrac{\sin t}{t}\to 1.

The substitution turns an unusual-looking limit into a standard limit already known: it is often the first thing to try when one recognises, “nested” in the expression, an infinitesimal quantity.

Topics: Limits
Concepts: Change of variable · Standard limits
Skills: Calculating limits

Quando un limite ha la forma [A(x)]B(x)\bigl[A(x)\bigr]^{B(x)} con una forma indeterminata come 11^\infty, 0\infty^0 o 000^0, il trucco è riscrivere la potenza come esponenziale:

A(x)B(x)=eB(x)lnA(x).A(x)^{B(x)} = e^{\,B(x)\cdot\ln A(x)}.

Il limite dell’esponente B(x)lnA(x)B(x)\cdot\ln A(x) è di solito una forma indeterminata “ordinaria” (00\cdot\infty o simili) che si risolve con i metodi visti. Poi si applica la continuità dell’esponenziale.

Esempio — Il limite che dà ee

limx0+(1+x)1/x=lime1xln(1+x).\lim_{x\to 0^+}(1+x)^{1/x} = \lim e^{\frac{1}{x}\cdot\ln(1+x)}. Usiamo ln(1+)\ln(1+\square)\sim\square con =x0\square = x\to 0: 1xln(1+x)1xx=1.\frac{1}{x}\cdot\ln(1+x) \sim \frac{1}{x}\cdot x = 1. Quindi il limite è e1=ee^1 = \boxed{e}.

Esempio — Base che tende a 1, esponente all'infinito

limx+(x+1x1)x=exlnx+1x1=exln(1+2x1).\lim_{x\to+\infty}\left(\frac{x+1}{x-1}\right)^x = e^{\,x\cdot\ln\frac{x+1}{x-1}} = e^{\,x\cdot\ln\left(1+\frac{2}{x-1}\right)}. Con =2x10\square = \dfrac{2}{x-1}\to 0 si ha ln(1+)\ln(1+\square)\sim\square, quindi x2x12.x\cdot\frac{2}{x-1}\to 2. Il limite è e2\boxed{e^2}.

Collegamenti

Argomenti: Limiti
Concetti: Forme indeterminate · Funzioni equivalenti
Competenze: Calcolare limiti · Usare formule

When a limit has the form [A(x)]B(x)\bigl[A(x)\bigr]^{B(x)} with an indeterminate form such as 11^\infty, 0\infty^0 or 000^0, the trick is to rewrite the power as an exponential:

A(x)B(x)=eB(x)lnA(x).A(x)^{B(x)} = e^{\,B(x)\cdot\ln A(x)}.

The limit of the exponent B(x)lnA(x)B(x)\cdot\ln A(x) is usually an “ordinary” indeterminate form (00\cdot\infty or similar) that is solved with the methods seen. Then one applies the continuity of the exponential.

Example — The limit that gives ee

limx0+(1+x)1/x=lime1xln(1+x).\lim_{x\to 0^+}(1+x)^{1/x} = \lim e^{\frac{1}{x}\cdot\ln(1+x)}. We use ln(1+)\ln(1+\square)\sim\square with =x0\square = x\to 0: 1xln(1+x)1xx=1.\frac{1}{x}\cdot\ln(1+x) \sim \frac{1}{x}\cdot x = 1. Hence the limit is e1=ee^1 = \boxed{e}.

Example — Base tending to 1, exponent to infinity

limx+(x+1x1)x=exlnx+1x1=exln(1+2x1).\lim_{x\to+\infty}\left(\frac{x+1}{x-1}\right)^x = e^{\,x\cdot\ln\frac{x+1}{x-1}} = e^{\,x\cdot\ln\left(1+\frac{2}{x-1}\right)}. With =2x10\square = \dfrac{2}{x-1}\to 0 we have ln(1+)\ln(1+\square)\sim\square, hence x2x12.x\cdot\frac{2}{x-1}\to 2. The limit is e2\boxed{e^2}.

Topics: Limits
Concepts: Indeterminate forms · Equivalent functions
Skills: Calculating limits · Using formulae

Gli asintoti sono rette a cui il grafico di una funzione si avvicina indefinitamente: si individuano tutti tramite limiti.

In sintesi — I tre tipi di asintoto

  • Asintoto orizzontale: y=Ly=L se limx±f(x)=L\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=L.
  • Asintoto verticale: x=x0x=x_0 se limxx0±f(x)=±\displaystyle\lim_{x\to x_0^\pm}f(x)=\pm\infty.
  • Asintoto obliquo: y=mx+qy=mx+q con m=limx±f(x)x\displaystyle m=\lim_{x\to\pm\infty}\frac{f(x)}{x} e q=limx±(f(x)mx)\displaystyle q=\lim_{x\to\pm\infty}\bigl(f(x)-mx\bigr).

La funzione f(x)=x+1xf(x) = x + \dfrac{1}{x} illustra due asintoti insieme: un asintoto verticale in x=0x=0 e un asintoto obliquo y=xy=x per x±x\to\pm\infty.

La funzione f(x)=x+1/xf(x) = x + 1/x ha asintoto obliquo y=xy=x (per x±x\to\pm\infty) e asintoto verticale x=0x=0.

Collegamenti

Argomenti: Limiti
Concetti: Asintoto · Asintoto obliquo · Asintoto orizzontale · Asintoto verticale · Limite
Competenze: Interpretare grafico · Studiare funzione

Asymptotes are straight lines that the graph of a function approaches indefinitely: they are all identified through limits.

In brief — The three types of asymptote

  • Horizontal asymptote: y=Ly=L if limx±f(x)=L\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=L.
  • Vertical asymptote: x=x0x=x_0 if limxx0±f(x)=±\displaystyle\lim_{x\to x_0^\pm}f(x)=\pm\infty.
  • Oblique asymptote: y=mx+qy=mx+q with m=limx±f(x)x\displaystyle m=\lim_{x\to\pm\infty}\frac{f(x)}{x} and q=limx±(f(x)mx)\displaystyle q=\lim_{x\to\pm\infty}\bigl(f(x)-mx\bigr).

The function f(x)=x+1xf(x) = x + \dfrac{1}{x} illustrates two asymptotes together: a vertical asymptote at x=0x=0 and an oblique asymptote y=xy=x as x±x\to\pm\infty.

The function f(x)=x+1/xf(x) = x + 1/x has oblique asymptote y=xy=x (as x±x\to\pm\infty) and vertical asymptote x=0x=0.

Topics: Limits
Concepts: Asymptote · Oblique asymptote · Horizontal asymptote · Vertical asymptote · Limit
Skills: Interpreting graphs · Studying functions