LIMITE FINITO PER UNA FUNZIONE IN UN PUNTO Limite finito per una funzione in un punto Sia f ( x ) una funzione reale definita nello insieme D , In simboli : ∀ε > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c - δ , c + δ ) e c un punto di accumulazione per D . Si dice che la funzione f ( x ) ha per limite il numero e x ≠ c si ha che f(x) - L < ε reale L , al tendere di x al numero reale c , e si scrive: lim f ( x ) = L y x →c quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo I di L , scelto piccolo a piacere, è sempre possibile determinare un intorno completo H del punto c , tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti a tale intorno H , escluso al più il punto c (dove la funzione può non essere definita), i corrispondenti valori f ( x ) della funzione cadono nell’intorno I di L . Limite sinistro Si dice che la funzione f ( x ) ha per limite il numero reale L , al tendere di x al numero reale c da sinistra, e si scrive: lim f ( x ) = L x →c − quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo I di L , scelto piccolo a piacere, è sempre possibile determinare un intorno sinistro H del punto c, tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti a tale intorno H, escluso al più il punto c (dove la funzione può non essere definita), i corrispondenti valori f ( x ) della funzione cadono nell’intorno I di L . Limite destro Si dice che la funzione f(x) ha per limite il numero reale L , al tendere di x al numero reale c da destra, e si scrive: lim f ( x ) = L x →c + f (x) y = f ( x) . . . . ... c− δ c c + δ x x In simboli : ∀ε > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c - δ , c ) e x ≠ c si ha che f(x) - L < ε y . l . l −ε . . l +ε . . . . c− δ c x In simboli : ∀ε > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c, c + δ ) e x ≠ c si ha che f(x) - L < ε y l +ε quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo I di L , scelto piccolo a piacere, è sempre possibile determinare un intorno destro H del punto c, tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti a tale intorno H, escluso al più il punto c (dove la funzione può non essere definita), i corrispondenti valori f(x) della funzione cadono nell’intorno I di L . APPUNTI DI MATEMATICA . . l. l −ε . l +ε . l . l −ε . xoomer.virgilio.it/mimmocorrado . . . . c . c−δ x 33 LIMITE INFINITO PER UNA FUNZIONE IN UN PUNTO Limite infinito per una funzione in un punto Sia f ( x ) una funzione reale definita nell’insieme D, e c un punto di accumulazione per D. Si dice che la funzione f ( x ) ha per limite l’infinito ∞, al tendere di x al numero reale c, e si scrive : lim f ( x ) = ∞ x →c quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo di infinito I = (−∞, −M) U (M, +∞), con M > 0 scelto grande a piacere, è sempre possibile determinare un intorno completo H del punto c, tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti a tale intorno H, escluso al più il punto c (dove la funzione può non essere definita), i corrispondenti valori f(x) della funzione cadono nell’intorno I di infinito. ∀M > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c - δ , c + δ ) e x ≠ c si ha che f(x) > M In simboli : y f (x) . M. y . .. .cc.+ δ c−δ c −. δ.c . c+ δ x . −M lim f ( x ) = +∞ . −M lim f ( x ) = −∞ x →c − . M. x lim f ( x ) = −∞ x →c + lim f ( x ) = +∞ x →c + x →c − Altri sottocasi lim f ( x ) = +∞ lim f ( x ) = −∞ x →c x →c y y M . . . c. . . c− δ c + δ c − δ c+ δ . .c . x −M ∀M > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c - δ , c + δ ) e x ≠ c si ha che f(x) > M APPUNTI DI MATEMATICA x . . ∀M > 0 ∃δ > 0 t. c. ∀x ∈ D I (c - δ , c + δ ) e x ≠ c si ha che f(x) < - M xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 34 LIMITE FINITO PER UNA FUNZIONE ALL’INFINITO Limite finito per una funzione all’infinito Sia f ( x ) una funzione reale definita nell’insieme D . Si dice che la funzione f ( x ) ha per limite il numero reale L , al tendere di x all’infinito ∞, e si scrive : lim f ( x ) = L x →∞ quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo I di L , scelto piccolo a piacere, è sempre possibile determinare un intorno completo di infinito H = (−∞, −Ν) U (N, +∞), tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti all’intorno di infinito H , i corrispondenti valori f ( x ) della funzione cadono nell’intorno I di L . In simboli : ∀ε > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e x > N si ha che f(x) - l < ε y y . l +ε . .l . l−ε . . lim f ( x ) = L+ . l +ε . l. .l−ε . .x . N -N x → −∞ f (x) . . . N x lim f ( x ) = L− lim f ( x ) = L− x → +∞ x lim f ( x ) = L+ x → −∞ x → +∞ Altri sottocasi y f (x) l +ε .. . lim f ( x ) = L+ x →∞ . x l . . .x x N -N In simboli : ∀ε > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e x > N si ha che f(x) ∈ (l, l + ε ) y f (x) lim f ( x ) = L− x →∞ . . x -N l .. . −ε l . .x N x In simboli : ∀ε > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e x > N si ha che f(x) ∈ (l - ε , l ) APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 35 LIMITE INFINITO PER UNA FUNZIONE ALL’INFINITO Limite infinito per una funzione all’infinito Sia f ( x ) una funzione reale definita nell’insieme D . Si dice che la funzione f ( x ) ha per limite l’infinito ∞, al tendere di x all’infinito ∞, e si scrive : lim f ( x ) = ∞ x →∞ quando, in corrispondenza ad un qualsiasi intorno completo di infinito I = (−∞, −Μ) U (M, +∞), con M>0 scelto grande a piacere, è sempre possibile determinare un intorno completo di infinito H=(−∞, −Ν) U (N,+∞) , tale che per tutti i punti x del dominio D della funzione ed appartenenti all’intorno di infinito H , i corrispondenti valori f ( x ) della funzione cadono nell’intorno I di infinito ∞ . In simboli : ∀M > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e x > N si ha che f(x) > M y y . M. . f(x) x -N .. . . . .N . x . x . N -N .-M . .M x -M . . f(x) lim f ( x ) = −∞ lim f ( x ) = +∞ x → −∞ lim f ( x ) = +∞ x → +∞ lim f ( x ) = −∞ x → −∞ x → +∞ Altri sottocasi lim f ( x ) = −∞ lim f ( x ) = +∞ x →∞ x →∞ y y N -N . . x M . . . -M . . . . . N -N ∀M > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e ∀M > 0 ∃ N > 0 t. c. ∀x ∈ D e x > N si ha che f(x) < - M x > N si ha che f(x) > M APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado x 36 TEOREMI SUI LIMITI Teorema dell’unicità del limite ⎛ ⎞ ⎜ Se esiste il lim f ( x ) = L ⎟ x→ c ⎝ ⎠ ⇒ (il limite L è unico ) Dimostrazione Supponiamo per assurdo che lim f ( x ) = L e x→ c lim f ( x ) = M x→ c con L < M allora, per la definizione di limite, ∀ ε > 0 esistono due intorni, H1 e H 2 di c tale che: ∀x ∈ H1 , escluso al più il punto c , si ha L − ε < f ( x ) < L + ε e ∀x ∈ H1 , escluso al più il punto c , si ha M − ε < f ( x ) < M + ε H2 Nell’intorno H1 I H 2 le relazioni suddette valgono simultaneamente H1 Avendo supposto L < M si ha: L − ε < m − ε < f( x) < L + ε < m + ε da cui si ha: m − ε < f( x) < L + ε ; m−ε <L+ε ; m −L < 2 ⋅ε ; ε> cioè c H m−L . 2 Ε questa condizione su ε contraddice la definizione di limite, secondo il quale ε deve poter essere un numero positivo qualunque . E quindi assurdo supporre che la funzione abbia in c due limiti diversi. Similmente si dimostrano gli altri casi (limite infinito, limite per x tendente all’infinito). Teorema della permanenza del segno ⎛ ⎞ ⎜ Se esiste il lim f ( x ) = L ≠ 0 ⎟ x→ c ⎝ ⎠ ⇒ ⎛ Esiste un intorno I del punto c, tale che ⎜ ⎜ ∀x ∈ I e x ≠ c la funzione assume valori ⎜ dello stesso segno del suo limite . ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ Teorema del confronto o dei due carabinieri ⎛ Se f (x) , h (x) e g (x) sono tre funzioni⎞ ⎟ ⎜ g (x) ⎜ definite nello stesso intervallo (a, b) , ⎟ ⎜ escluso al più un punto c di esso e se ⎟ ⎟ ⎜ ⎛ lim h (x) = l ⎞ l ° ⎟⎟ ⎟ ⇒ ⎜⎜ ⎜ risulta ∀x ∈ (a, b) che : h (x) x → c ⎟ ⎜ f (x) ≤ h (x) ≤ g (x) ⎝ ⎠ ⎟ ⎜ f (x) ⎟ ⎜ lim f (x) = lim g (x) = l ≠ 0 ⎟ ⎜ x→c ⎠ ⎝x → c APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado ° c° 37 FUNZIONI CONTINUE Una funzione f ( x ) , definita in [a, b ] , è continua nel punto c ∈ [a, b ] se risulta che lim f ( x ) = f ( c ) x→ c Una funzione f ( x ) è continua a destra del punto c se risulta che lim f ( x ) = f ( c ) x→ c+ lim f ( x ) = f ( c ) Una funzione f ( x ) è continua a sinistra del punto c se risulta che x→ c− Una funzione f ( x ) è continua nell’intervallo [a, b ] se essa è continua in ogni punto c ∈ [a, b ] . Teorema 1 Se f ( x ) e g ( x ) sono due funzioni continue in un punto c , allora sono continue nel punto c anche le f( x) funzioni f ( x ) + g ( x ) , f ( x ) − g ( x ) , f ( x ) ⋅ g ( x ) , f ( x ) + g ( x ) , g( x ) Teorema 2 Se g ( x ) è continua nel punto x0 e f ( z ) è continua nel punto z0 = g ( x0 ) , allora la funzione composta f ( g ( x0 )) è continua nel punto x0 . Teorema 3 Un funzione y = f ( x ) continua in un intervallo [a, b ] nel quale è crescente (o decrescente), definisce una funzione inversa x = g ( y ) che è continua e crescente (o decrescente) nell’intervallo [m , M ] , dove m e M sono rispettivamente il minimo ed il massimo della y = f ( x ) in [a, b ] . Teorema di Weierstrass ⎛ Se f (x) è continua in ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ un intervallo chiuso [a, b] ⎠ ⎛ f (x) assume in [a, b] il massimo ⎜⎜ ⎝ assoluto e il minimo assoluto ⇒ ⎞ ⎟⎟ ⎠ Teorema di Darboux-Bolzano ⎛ Se f (x) è continua in un ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ intervallo chiuso [a, b] ⎠ ⎛ f(x) assume in [a, b] ogni valore compreso ⎜⎜ ⎝ fra il suo minimo e il suo massimo assoluto ⇒ ⎞ ⎟⎟ ⎠ f (a) Max a f (x) o x1 min x2 o x3 o b f (b) a x b Teorema dell’esistenza degli zeri ⎛ Se f (x) è continua in un intervallo chiuso ⎜ ⎜ [a, b] , e se agli estremi dell' intervallo ⎜ assume valori di segno opposto ⎝ APPUNTI DI MATEMATICA ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⇒ ⎛ f (x) si annulla in almeno un punto ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ interno all' intervallo [a, b] ⎠ xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 38 LA CONTINUITA’ DELLE FUNZIONI ELEMENTARI La conoscenza della continuità di una funzione f ( x ) in un punto c , è un’informazione molto importante per il calcolo del suo limite. Infatti, in questo caso, non solo esiste il lim f(x) , ma il valore di tale limite coincide con f ( c ) . Pertanto il calcolo del limite si riduce al calcolo del valore f ( c ) . Di seguito sono elencate le principali funzioni continue: La funzione razionale intera y = a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an −1 x n −1 + an x n è continua ∀x ∈ R . N( x ) La funzione razionale fratta y = è continua nell’insieme { x ∈ R / D (x ) ≠ 0}. D( x ) La funzione irrazionale di indice dispari y = dispari f ( x ) è continua ∀x ∈ R . La funzione irrazionale di indice pari y = pari f ( x ) è continua nell’insieme { x ∈ R / f (x ) ≥ 0}. La funzione logaritmica y = log a f ( x ) è continua nell’insieme { x ∈ R / f (x ) > 0} . La funzione esponenziale y = a f ( x ) è continua ∀x ∈ R . La funzione esponenziale y = f ( x )g ( x ) è continua nell’insieme { x ∈ R / f (x ) > 0} . Le funzioni goniometriche y = sen f ( x ) e y = cos f ( x ) sono continue ∀x ∈ R . π ⎫ ⎧ La funzione goniometrica y = tg f ( x ) è continua nell’insieme ⎨ x ∈ R / f ( x ) ≠ + kπ ⎬ 2 ⎭ ⎩ La funzione goniometrica y = cot g f ( x ) è continua nell’insieme {x ∈ R / f ( x ) ≠ kπ } La funzione goniometrica y = arcsen f ( x ) è continua nell’insieme {x ∈ R / − 1 ≤ f ( x ) ≤ 1} . La funzione goniometrica y = ar cos f ( x ) è continua nell’insieme {x ∈ R / − 1 ≤ f ( x ) ≤ 1} . Le funzioni goniometriche y = arctg f ( x ) e y = arc cot g f ( x ) sono continue ∀x ∈ R . PUNTI DI DISCONTINUITA’ PER UNA FUNZIONE I punti di discontinuità di una funzione si dividono in tre specie : Ia specie : la funzione f ( x ) ha nel punto c una discontinuità di Ia specie, se in tale punto esistono finiti destro e sinistro e sono fra loro diversi. IIa specie : la funzione f ( x ) ha nel punto c una discontinuità di IIa specie, se in tale punto uno almeno dei due limiti destro e sinistro è infinito oppure non esiste. IIIa specie : la funzione f ( x ) ha nel punto c una discontinuità di IIIa specie (o eliminabile), se in tale punto esiste finito il limite, ma il valore di f ( c ) o non esiste, oppure esiste ma risulta diverso dal limite. APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 39 Esempio 1 y se x ≥ 1 è continua ∀x ≠ 1 . La funzione f ( x ) = ⎧⎨ x − 2 x + 1 se x <1 ⎩ In x = 1 la funzione ha una discontinuità di Ia specie. mentre Infatti lim f ( x ) = lim (x − 2 ) = − 1 x → 1+ lim f ( x ) = x → 1− x → 1+ lim (x + 1) = 2 . x → 1− O 1 x Dal grafico si nota il salto che la funzione ha in x = 1 . Esempio 2 La funzione f ( x ) = tg x è continua ∀x ≠ π + kπ . 2 π + kπ la funzione ha una discontinuità di IIa specie. 2 e lim tg x = +∞ . Infatti lim tg x = −∞ In x = x→ π+ 2 x→ π− 2 π 2 Esempio 3 sen x è continua ∀x ≠ 0 . x In x = 0 la funzione ha una discontinuità di IIIa specie. sen x =1 mentre f ( 0 ) non esiste, poiché il dominio di f ( x ) è R − {0} . Infatti lim x→0 x Tale tipo di discontinuità è detta anche eliminabile, perché ridefinendo la funzione nel seguente modo: ⎧ 1 se x = 0 ⎪ ⎪ la funzione diventa continua in tutto R . f( x) = ⎨ sen x ⎪ se x ≠ 0 ⎪⎩ x La funzione f ( x ) = APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 40 ALGEBRA DEI LIMITI Somma e prodotto n +∞ = +∞ +∞ +∞ = +∞ n−∞=−∞ −∞ −∞ = −∞ n • ∞=∞ ∞ • ∞=∞ Quoziente 0 =0 n 0 =0 ∞ n =0 ∞ ∞ =∞ n ∞ =∞ 0 n =∞ 0 Potenza 0 n >0 = 0 n0 = 1 ( 0 < n < 1 )−∞ = +∞ 0 n <0 = +∞ ( n > 1 )+∞ = +∞ + ∞( m >0 ) = +∞ 0 +∞ = 0 ( n > 1 )−∞ = 0 + + ∞( m<0 ) = 0 + 0 −∞ = +∞ ( −∞ ) ( 0 < n < 1 )+∞ = 0 + (pari > 0) + ∞ −∞ = 0 + + ∞ +∞ = +∞ (pari < 0) = +∞ ( −∞ ) = 0+ ( −∞ ) (dispari < 0) = 0 − ( −∞ ) (dispari > 0) = −∞ Forme indeterminate +∞−∞=? −∞+∞=? 0 • ∞=? 0 =? 0 ∞ =? ∞ 00 = ? ∞0 = ? 1∞ = ? Limiti fondamentali sen x =1 lim x→0 x x 1⎞ ⎛ lim ⎜1 + ⎟ = e x →∞ ⎝ x⎠ Limiti derivati dai limiti fondamentali 1 - cos x 1 = x→0 2 x2 lim 1 lim (1 + x ) x = e x→0 ax −1 = log e a lim x →0 x log x lim =0 x → +∞ x α lim x α ⋅ log x = 0 ( α > 0) x →0 + lim sen x = non esiste 1 - cos x =0 x→0 x log e (1 + x ) lim =1 x→0 x tg x =1 x→0 x log b (1 + x ) 1 lim = x→0 x log e b lim ex −1 =1 lim x →0 x xα lim x = 0 x → +∞ a lim ( 1 + x )α − 1 =α lim x log x lim =0 x → +∞ a x = lim e [g ( x )⋅ log f ( x )] x →0 lim [f ( x )]g ( x ) x → +∞ lim cos x = non esiste x → +∞ x → +∞ sen x =0 x →∞ x cos x =0 x →∞ x lim APPUNTI DI MATEMATICA x → +∞ lim xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 41 Dimostrazioni 1 - cos x ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟. 2 x →0 x ⎝0 ⎠ 1 - cos x x→0 x2 lim = sen 2 x x →0 x 2 ⋅ (1 + cosx ) 2 1 - cos x ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ lim = lim x →0 1 - cos 2 x x ⋅ (1 + cosx ) = lim x →0 lim x →0 tg x ⎛0 ⎞ lim = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ = 1⋅ 1 1 1 - cos x x sen 2 x x ⋅ (1 + cosx ) tg x lim x →0 x = 1⋅ 1 = 1 +1 = lim x →0 lim x →0 1 - cos x 1 + cos x ⋅ x 1 + cos x = lim x →0 = lim 1 . 2 1 sen x ⋅ sen x ⋅ x 1 + cosx sen x lim cos x x →0 x = = 1 - cos 2 x x →0 x 2 ⋅ (1 + cosx ) = sen x 1 ⋅ cos x x = = 1⋅0 ⋅ 1 2 = lim x →0 = 0. sen x 1 ⋅ x cos x = 1. ( 1 ) lim (1 + x ) x = 1 ∞ = ? . x →0 1 lim (1 + x ) x x →0 lim 1 ⎛ sen x ⎞ lim ⎜ ⎟ ⋅ x →0 ⎝ x ⎠ 1 + cosx = lim 1 - cos x 1 + cos x ⋅ x →0 1 + cos x x2 = lim = 1⎞ ⎛ lim ⎜1 + ⎟ t →∞ ⎝ t⎠ Si pone x = t log b (1 + x ) ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ 1 . = log b e = log e b ax −1 ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ lim ricavando poi x = log a (1 + t ) = per cui (x → 0 ) ⇔ (t → ∞ ) , sostituendo: = e. log e (1 + x ) ⎛ 0 ⎞ lim = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ = log e e = 1 . lim 1 t 1 log e (1 + x ) 1 = lim ⋅ log e (1 + x ) = lim log e (1 + x ) x = lim x →0 x →0 x x →0 x 1 log b (1 + x ) 1 = lim lim ⋅ log b (1 + x ) = lim log b (1 + x ) x = x →0 x →0 x 0 → x x Si pone a x − 1 = t da cui si ottiene a x = 1 + t ; log e (1 + t ) per cui (x → 0 ) ⇔ (t → 0 ) , sostituendo: log e a ax −1 1 t 1 t = lim = lim log e a ⋅ = lim log a ⋅ = log e a ⋅ = log e a e x →0 t 0 → x 1 log e (1 + t ) t →0 log e (1 + t ) t →0 log e (1 + t ) t log e a lim ex −1 ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ . x →0 x ⎝0 ⎠ lim APPUNTI DI MATEMATICA ex −1 = log e e = 1 . x →0 x Per il limite precedente lim xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 42 Limiti delle funzioni razionali Limiti delle funzioni razionali intere Il calcolo del limite di una funzione razionale intera f ( x ) = a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an −1 x n −1 + an x n è effettuato nel seguente modo: A. Se x → c il limite è dato dal valore della funzione f ( x ) per x = c , cioè: lim f ( x ) = f ( c ) ; X →c B. Se x → ±∞ il calcolo del limite, nel caso in cui si presenta la forma indeterminata + ∞ − ∞ , è effettuato raccogliendo a fattor comune la variabile x n (x di grado max ). ( lim a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an −1 x n −1 + an x n x → ±∞ ( essendo lim x →±∞ a0 x n a1 lim = x →±∞ x n −1 = lim x →±∞ a2 x n −2 ) a a ⎛a ⎞ lim x n ⋅ ⎜ 0n + n1−1 + ... + n −1 + an ⎟ = x → ±∞ x x ⎝x ⎠ a = . . . = lim n −1 = 0 ). x →±∞ x = lim an ⋅ x n x → ±∞ Il valore del limite dipende esclusivamente dal termine di grado massimo: ( lim a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an −1 x n −1 + an x n x → ±∞ Esempi ( ) = 2 + 3 ⋅ 02 − 4 ⋅ 03 = 2 . ( ) = 2 + 3 ⋅ 2 2 − 4 ⋅ 2 3 = − 18 . lim 2 + 3 x 2 − 4 x 3 x →0 lim 2 + 3 x 2 − 4 x 3 x →2 ( ) ) = lim an x n x → ±∞ ⎞ ⎛ 2 3 lim x 3 ⋅ ⎜ 3 + − 4 ⎟ = [→ −∞] • [→ (0 + 0 − 4 )] = + ∞ . x → −∞ x → −∞ x ⎝x ⎠ 2 3 Più velocemente si ha: lim 2 + 3 x − 4 x = lim − 4 x 3 = + ∞ . lim 2 + 3 x 2 − 4 x 3 = x → −∞ ( ) x →−∞ Limiti delle funzioni razionali fratte a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n Il calcolo del limite di una funzione razionale fratta f ( x ) = è effettuato nel b0 + b1 x + b2 x 2 + ... + bp x p seguente modo: a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n (con c valore finito e diverso x → c b + b x + b x 2 + ... + b x p 0 1 2 p da zero) è effettuato distinguendo i seguenti sottocasi: N(x) N(c) lim = . 1. Se D( c ) ≠ 0 allora X → c D(x) D(c) N(x) 2. Se D( c ) = 0 e N( c ) ≠ 0 allora lim = ∞. X → c D(x) N(x) 0 3. Se D( c ) = 0 e N( c ) = 0 lim allora si presenta nella forma indeterminata . X → c D(x) 0 Per eliminare l’indeterminazione occorre scomporre numeratore e denominatore raccogliendo il fattor comune (x − c ) . A. Se x → c , il calcolo del limite lim APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 43 Esempi 2 − 3x + 7 x2 X → −1 5 x 4 − 8 x 3 lim 3x + 3 X → −1 5 x 4 − 8 x 3 = 5x4 − 8x3 lim X → −1 3x + 3 = lim 2 − 3 ⋅ (− 1) + 7 ⋅ (− 1)2 = = 5 ⋅ (− 1)4 − 8 ⋅ (− 1)3 3 ⋅ (− 1) + 3 = 5 ⋅ (− 1) − 8 ⋅ (− 1) 4 3 5 ⋅ (− 1)4 − 8 ⋅ (− 1)3 3 ⋅ (− 1) + 3 2x3 − x2 −7 x + 2 X →2 2x2 − 5x + 2 lim = 12 . 13 0 . = 0 13 13 . = ∞. →0 Il limite si presenta nella forma indeterminata 0 . Occorre scomporre numeratore 0 e denominatore raccogliendo il fattor comune (x − 2 ) . Per fare ciò si utilizza Ruffini. 2 2 −1 −7 2 2 4 3 6 −1 −2 = 2x3 − x2 − 7 x + 2 X →2 2x2 − 5x + 2 lim = 2 (x − 2 ) ⋅ (2 x 2 + 3 x − 1) X →2 (x − 2 ) ⋅ (2 x − 1) lim = 2 −5 2 2 4 −1 −2 = 13 2 ⋅ 2 2 + 3 ⋅ 2 −1 2 x 2 + 3 x −1 = = X →2 3 2 x −1 2 ⋅ 2 −1 lim N(x) 0 può presentare la forma di indecisione . X → 0 D(x) 0 L’indeterminazione è eliminata dividendo numeratore e denominatore per la x di grado minimo. B. se x → 0 , il calcolo del limite lim . Il limite dipende esclusivamente dai termini di grado minimo as x s e b t x t a x s + a x s +1 + ... + an −1 x n −1 + an x n as x s lim s t s +1 t −1 = lim x →0 x →0 b x t bt x + bt −1 x ... + bp −1 x p −1 + bp x p t ⎧ ⎪0 ⎪⎪ = ⎨∞ ⎪a ⎪ s ⎪⎩ bt se s > t se s < t se s = t s = esponente min della x a numeratore t = esponente min della x a denominatore Esempi lim 2 − 3x + 7 x2 X →0 5 x 4 − 8 x 3 = 2 −0 +0 0 −0 = ∞. 3 − 2x + 7 x2 X →0 5x4 − 8 = 3 −0 +0 0 −8 = 3x − 2x2 X →0 2 x − 5 0 −0 0 −5 lim lim = APPUNTI DI MATEMATICA = 0. − Il limite è immediato 3 . 8 Il limite è immediato Il limite è immediato xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 44 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ 4 3 X →0 2 x + 23 x ⎝0 ⎠ Dividendo per x 2 (x di grado minimo) si ha: lim 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 X →0 2 x 4 + 23 x 3 lim = 3 x 3 − x 3 + 17 X →0 2 x 2 + 23 x lim 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 X →0 2 x 4 + 23 x 3 → (0 − 0 + 17 ) = ∞. → (0 + 0 ) = 17 x 2 X →0 23 x 3 17 17 = = ∞. 23 x →0 In modo più veloce lim = 2 x 5 − x 4 + 17 x 3 ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ 3 X →0 2 x + 23 x ⎝0 ⎠ Dividendo per x ( x di grado minimo) si ha: lim lim = lim X →0 0 −0 +0 2 x 4 − x 3 + 17 x 2 = = 0. 2 X →0 2 +0 2 + 23 x 17 x 3 17 x 2 2 x 5 − x 4 + 17 x 3 = lim = lim In modo più veloce lim X →0 2 x X →0 X →0 2 2 x + 23 x 3 2 x 5 − x 4 + 17 x 3 X →0 2 x + 23 x 3 lim = lim 2x5 − x4 + 7 x3 ⎛ 0 ⎞ = ⎜ =?⎟ 4 3 X →0 2x − 8x ⎝0 ⎠ 2x5 − x4 +7x3 X →0 2x4 − 8x3 = 2x5 − x4 +7x3 X →0 2x4 − 8x3 In modo più veloce lim C. Se x → ∞ = 0. 7 0 − 0 +7 = − . 8 0 −8 3 7 7x 7 = lim = lim = − . X →0 − 8 X →0 − 8 x 3 8 2x2 − x + 7 X →0 2x − 8 lim 0 2 Dividendo per x 3 ( x di grado minimo) si ha: lim lim = = il calcolo del limite lim X →0 N(x) D(x) può presentare la forma di indecisione ∞ . ∞ L’indeterminazione viene eliminata raccogliendo a fattor comune la variabile x n a numeratore e la variabile x p a denominatore. Il limite dipende esclusivamente dai termini di grado massimo an x n e bp x p a + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n an x n lim 0 lim = x → ∞ b + b x + b x 2 + ... + b x p x →∞ b x p 0 1 2 p p ⎧ ⎪ ⎪⎪0 = ⎨∞ ⎪a ⎪ n ⎪⎩ bp se n < p se n > p se n = p In particolare, se x → +∞ e n > p si ha: a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n ⎧⎪+ ∞ = ⎨ x → +∞ b + b x + b x 2 + ... + b x p 0 1 2 p ⎪⎩− ∞ lim APPUNTI DI MATEMATICA se an e bp sono concordi se an e bp sono discordi xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 45 In particolare, se x → −∞ e n > p si ha: a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n lim x → −∞ b + b x + b x 2 + ... + b x p 0 1 2 p ⎧ ⎪+ ∞ ⎪ ⎪ ⎪ = ⎨ ⎪ ⎪ ⎪− ∞ ⎪ ⎩ se an e bp sono concordi e n − p è pari oppure se an e bp sono discordi e n − p è dispari se an e bp sono concordi e n − p è dispari oppure se an e bp sono discordi e n − p è pari Esempi 2 − 5x3 X → −∞ 3 lim lim X → −∞ 3 = +∞. Il limite è immediato − 3 5x − 2 = 0 . Il limite è immediato 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 ⎛ ∞ ⎞ =⎜ =?⎟ 4 3 X →∞ 2 x + 23 x ⎠ ⎝∞ lim Dividendo per x 5 (x di grado massimo) si ha: 1 17 + x x 3 = → (3 − 0 + 0 ) = ∞ . = lim → (0 + 0 ) X →∞ 2 23 + 2 x x 3x 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 3x5 Senza fare i calcoli invece, lim = lim = lim 4 3 4 X → ∞ → ∞ X →∞ X 2 2 x + 23 x 2x 3− 3 x 5 − x 4 + 17 x 2 lim X →∞ 2 x 4 + 23 x 3 = ∞. 3 x 6 − x 4 + 17 x 2 ⎛ ∞ ⎞ =?⎟ =⎜ 3 4 X → −∞ 2x − 5x ⎝∞ ⎠ lim Raccogliendo x 6 (x di grado massimo) al numeratore) e x 4 (x di grado massimo) al denominatore, si ha: 6 4 3 x − x + 17 x lim X →−∞ 2x3 − 5x4 = (→ +∞ ) ⋅ ⎛⎜ → − 3 ⎞⎟ ⎝ 5⎠ 2 = 1 17 ⎞ ⎛ x6 ⋅ ⎜3 − + 2 ⎟ x x ⎠ ⎝ lim X →−∞ ⎛2 ⎞ x4 ⋅ ⎜ − 5 ⎟ ⎝x ⎠ = lim x 2 ⋅ 1 17 + x x2 2 −5 x 3− X →−∞ = (→ +∞ ) ⋅ → (3 − 0 + 0 ) → (0 − 5 ) = −∞. 3 x 6 − x 4 + 17 x 2 X →−∞ 2x3 − 5x4 Senza fare i calcoli invece, lim 5 − 2x2 − x4 ⎛ ∞ ⎞ =⎜ =?⎟ 7 X → ∞ 2 x + 23 x ⎝∞ ⎠ lim = Dividendo per 3x6 X →−∞ − 5 x 4 lim = 3x6 X →−∞ − 5 lim = −∞. x 7 ( x di grado massimo) si ha: 5 2 1 − 5 − 3 7 → (0 − 0 − 0 ) x x = lim x = = 0. → (0 + 23 ) X →∞ 2 + 23 x6 5 − 2x2 − x4 = − x4 = −1 Senza fare i calcoli invece, lim lim lim X →∞ 23 x 3 X → ∞ 2 x + 23 x 7 X →∞ 23 x 7 5 − 2x2 − x4 lim X → ∞ 2 x + 23 x 7 APPUNTI DI MATEMATICA = 0. xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 46 = 2x5 − x4 + 7 x3 ⎛ ∞ ⎞ =⎜ =?⎟ 4 5 X →∞ 2x − 3x ⎝∞ ⎠ lim Dividendo per x 5 ( x di grado minimo) si ha: 1 7 + 2 2 → (2 − 0 + 0 ) x x = lim = = − . 3 → (0 − 3 ) X →∞ 2 −3 x 2 2x5 − x4 + 7 x3 = 2x5 = lim Senza fare i calcoli invece, lim lim 4 5 5 X →∞ − 3 X →∞ X →∞ − 3 x 2x − 3x 2x5 − x4 + 7 x3 lim X →∞ 2x4 − 3x5 APPUNTI DI MATEMATICA 2− xoomer.virgilio.it/mimmocorrado = − 2 . 3 47 Limiti delle funzioni irrazionali Limiti delle funzioni irrazionali intere Il calcolo del limite di una funzione irrazionale intera f ( x ) = n f ( x ) è effettuato nel seguente modo: A. Se x → c , dove c è un punto al finito del Dominio della funzione, il calcolo del limite è dato dal valore della funzione f ( x ) per x = c , cioè: lim f ( x ) = f ( c ) . X →c B. Se x → ±∞ , il calcolo del limite, nel caso in cui si presenta la forma indeterminata + ∞ − ∞ , è effettuato razionalizzando il termine che crea l’indeterminazione. Esempi ( lim x →4 lim x → +∞ lim x →+∞ = = x +5 −3 x +4 ( ( x +5 − x −5 x +5 − x −5 ( lim lim x →+∞ lim ( 2x lim x →∞ = 9 −38 = (+ ∞ − ∞ = ? ) = lim x →+∞ )( ( 2x = ) x +5 − x −5 ⋅ lim x →∞ ) 4 +5 −3 4 +4 = ( ) (( 2 2 −1 − 2x2 − x −1 ( ) 2 x 2 −1 − 2 x 2 − x −1 ( 2x ) = = lim ( 2x = lim −1 − 2x2 − x −1 ) x +5 + x −5 2 = 2 ) −1 + 2 x 2 − x −1 ) (+ ∞ − ∞ = ? ) x →∞ x →∞ 2 lim x →∞ x ⎛ 2 ⎛ ⎜ x ⋅ ⎜ 2 − 1 ⎞⎟ + x 2 ⋅ ⎛⎜ 2 − 1 − 1 ⎜ x x2 x2 ⎠ ⎝ ⎝ ⎝ ) (( 22 xx x 2 = −1 + 2x2 − x −1 lim x →∞ = razionalizzando il numeratore si ha: −1 − 2x2 − x −1 ⋅ ( 2x ⎞ ⎞⎟ ⎟⎟ ⎠⎠ 2 x +5 + x −5 10 = 0 → +∞ No, basta raccogliere a fattor comune la variabile x, ricordando che = 3-2 = 1 ) = x +5 + x −5) ( x +5) − ( x −5) lim x +5 − x −5 ⋅ x +5 + x −5 = razionalizzando il numeratore si ha: x →+∞ x +5 + x −5 x + 5 − (x − 5 ) x + 5 − (x − 5 ) = lim = x →+∞ x +5 + x −5 x +5 + x −5 x →+∞ x →∞ ) ) ) − x −1) 2 −1 + 2x2 − x −1 2 −1 + 2x2 = = ⎛∞ ⎞ ⎜ = ? ⎟ dalla padella nella brace? ⎝∞ ⎠ ⎧ ⎪ x 2 = x = ⎨+ x ⎪⎩− x x ⎛ 1 1 1 x ⋅ ⎜⎜ 2 − 2 + 2 − − 2 x x x ⎝ se x ≥ 0 se x < 0 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ = x 1 1 ⎧ = = lim ⎪ xlim →+∞ x →+∞ ⎛ ⎛ 1 1 1 ⎞ 1 1 1 ⎞ 2 2 ⎪ ⎜ 2− + 2 − − 2 ⎟⎟ + x ⋅ ⎜⎜ 2 − 2 + 2 − − 2 ⎟⎟ 2 ⎜ x x ⎠ x x ⎠ x x ⎪ = ⎪ ⎝ ⎝ ⎨ x 1 1 ⎪ lim lim =− = → −∞ → −∞ x x ⎛ ⎛ ⎪ 2 2 1 1 1 ⎞ 1 1 1 ⎞ − ⎜⎜ 2 − 2 + 2 − − 2 ⎟⎟ − x ⋅ ⎜⎜ 2 − 2 + 2 − − 2 ⎟⎟ ⎪ x x ⎠ x x ⎠ x x ⎪⎩ ⎝ ⎝ APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 48 lim (x lim (x x → −∞ x → −∞ + 2x + x + 2x + x ) x2 + 2x − x2 lim x →−∞ = 2 2 2 ) (+ ∞ − ∞ = ? ) = = = lim x →−∞ x →−∞ 2x x →−∞ ⎛ ⎞ 2 − x ⋅ ⎜⎜ 1 + + 1 ⎟⎟ x ⎝ ⎠ ) x2 + 2x − x + 2x + x ⋅ 2x lim x + 2x − x lim (x 2 razionalizzando il numeratore si ha: 2 x2 + 2x − x = x + 2x − x = lim x →−∞ ⎛ − ⎜⎜ ⎝ (x lim = x →−∞ 2x lim 2 + 2x 2 2 = x2 + 2x − x = 2 x ⋅ 1+ − x x 2 2 = = ( ) → − 1 + 1 ⎞ 2 1 + + 1 ⎟⎟ x ⎠ ) −x 2x lim x →−∞ x →−∞ 2 −2 = = 2 − x⋅ 1+ − x x −1 . Limiti delle funzioni irrazionali fratte Il calcolo del limite di una funzione irrazionale fratta f ( x ) = n N( x ) è effettuato nel seguente modo: D( x ) A. Se x → c il calcolo del limite, nel caso in cui si presenta la forma indeterminata 0 , è effettuato 0 razionalizzando il termine che crea l’indeterminazione. Esempi 1 + x2 −1 ⎛0 ⎞ = ⎜ =?⎟ x ⎠ ⎝0 lim X →0 lim X →0 = 1 + x2 −1 = x lim X →0 X →5 lim = 1 + x2 +1 1 + x 2 −1 1 + x 2 +1 = ⋅ X →0 x 1 + x 2 +1 →0 = = 0. →2 lim x −1 − 2 ⎛0 ⎞ = ⎜ =?⎟ x −5 ⎝0 ⎠ lim X →5 x Razionalizzando si ha: x −1 − 2 x −5 lim X →5 = 1 x −1 + 2 lim X →5 = APPUNTI DI MATEMATICA 5 −1 + 2 X →0 1 + x2 −1 ( 2 x ⋅ 1 + x +1 ) = lim X →0 ( x2 2 x ⋅ 1 + x +1 ) = Razionalizzando si ha: x −1 − 2 x −1 + 2 ⋅ x −5 x −1 + 2 1 lim = = lim X →5 x −1 − 4 (x − 5 ) ⋅ x −1 + 2 = lim X →5 x −5 (x − 5 ) ⋅ x −1 + 2 = 1 . 4 xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 49 B. Se x → ∞ il calcolo del limite, nel caso in cui si presenta la forma indeterminata ∞ , è effettuato ∞ raccogliendo a fattor comune x n a numeratore e x p a denominatore. Il limite dipende esclusivamente dai termini di grado massimo an x n e bp x p lim x →∞ k a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n b0 + b1 x + b2 x 2 + ... + bp x p = lim x →∞ k an x n bp x p ⎧ ⎪ ⎪0 ⎪ = ⎨∞ ⎪ a ⎪k n ⎪⎩ bp se n < p se n > p se n = p Esempi x −1 ⎛∞ ⎞ = ⎜ =?⎟ x ⎝∞ ⎠ lim X → +∞ x = Questo limite tende a zero, perché il grado del numeratore è minore del grado del denominatore ( Raccogliendo a fattor comune x = lim X → +∞ x −1 = x 1 −1 x = x x2 ⋅ lim X →+∞ x 2 1 x2 ). (uguaglianza valida per x → +∞ ) ⎛ 1 1⎞ x ⋅ ⎜⎜ − ⎟ x x ⎟⎠ ⎝ = lim X →+∞ x ⎛ 1 1⎞ x ⋅ ⎜⎜ − ⎟ x x ⎟⎠ ⎝ = lim X →+∞ x ⎛ 1 1⎞ lim ⎜⎜ − ⎟⎟ = 0 . X →+∞ x x⎠ ⎝ Oppure lim X → +∞ x −1 x ⎛ x 1⎞ lim ⎜⎜ − ⎟⎟ = X →+∞ x x⎠ ⎝ = ⎛ x 1⎞ = ⎟ lim ⎜⎜ − 2 ⎟ X →+∞ x x ⎠ ⎝ ⎛ 1 1⎞ lim ⎜⎜ − ⎟⎟ = 0 − 0 X →+∞ x x⎠ ⎝ = 0. Oppure lim X → +∞ = x −1 x = x −1 x +1 = ⋅ x x +1 lim X →+∞ lim X →+∞ x −1 x⋅ ( x +1 ) ⎛ 1⎞ x ⋅ ⎜1 − ⎟ x⎠ ⎝ = lim X →+∞ x ⋅ x +1 ( ) 1 x = x +1 1− = lim X →+∞ →1 = 0. → +∞ lim X → +∞ x2 + x 2x ⎛∞ ⎞ =?⎟ ⎝∞ ⎠ = ⎜ Questo limite tende a 1 (coefficienti dei termini di grado max), perché il grado del numeratore è uguale al grado 2 x 2 = x ). del denominatore ( Raccogliendo a fattor comune x = 2 lim X → +∞ lim X → +∞ 3 x +x 2x = lim X →+∞ x4 x5 + x4 +1 x 2 (uguaglianza valida per x → +∞ ) 1⎞ ⎛ x 2 ⋅ ⎜1 + ⎟ x⎠ ⎝ 2x x ⋅ 1+ = lim X →+∞ 2x 1 x x⋅ 1+ = lim X →+∞ 2x 1 x 1+ = lim X →+∞ 2 1 x = 1 . 2 ⎛∞ ⎞ =?⎟ ⎝∞ ⎠ = ⎜ APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 50 Questo limite tende a + ∞ , perché il grado del numeratore è maggiore di quello del denominatore ( lim X → +∞ 3 = x4 5 4 = x + x +1 x2 lim X →+∞ 3 x lim X →+∞ 3 = 4 1 ⎞ ⎛1 1 x6 ⋅ ⎜ + 2 + 6 ⎟ x ⎠ ⎝x x = lim X →+∞ x 4 3 5 x = 5 x3 = 1 1 1 x ⋅3 + 2 + 6 x x x 2 +∞. 1 1 1 + 2 + 6 x x x APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 51 ) Limiti di funzioni goniometriche Il calcolo dei limiti delle funzioni goniometriche viene effettuato utilizzando il limite fondamentale: sen x lim =1 e i limiti derivati dal limite fondamentale: x→0 x 1 - cos x tg x 1 - cos x 1 lim =0 lim =1 . = lim 2 x→0 x→0 x x→0 x 2 x sen x cos x lim =0 lim =0 x →∞ x →∞ x x lim sen x = non esiste lim cos x = non esiste x → +∞ x → +∞ Esempi lim x →0 sen px p = . nx n sen px x →0 nx lim Il limite è della forma ⎛⎜ = lim x →0 sen px p ⋅ nx p ax + sen px a + p = x →0 nx n lim lim x →0 ax + sen px nx 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ ⎛ a sen px p ⎞ = ax sen px ⎞ = = lim ⎛⎜ + ⋅ ⎟⎟ lim ⎜⎜ + ⎟ x →0 ⎝ nx x →0 ⎝ n nx ⎠ px n⎠ tg px p = . x → 0 nx n lim tg px x→0 nx lim 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ p p sen px p = = lim = . 1⋅ ⋅ x →0 n n px n Il limite è della forma ⎛⎜ a p +1 ⋅ n n = a+p . n 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ p p tg px p tg px p = lim = lim = 1⋅ = . ⋅ ⋅ x →0 nx x →0 px n n p n APPUNTI DI MATEMATICA Il limite è della forma ⎛⎜ xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 52 Limiti di funzioni esponenziali e logaritmiche Il calcolo dei limiti delle funzioni esponenziali e logaritmiche viene effettuato utilizzando il limite fondamentale: x 1⎞ ⎛ lim ⎜1 + ⎟ = e x →∞ ⎝ x⎠ e i limiti derivati dal limite fondamentale: log b (1 + x ) 1 = x→0 x log e b log e (1 + x ) =1 x→0 x 1 lim (1 + x ) x = e lim lim x→0 ( 1 + x )α − 1 lim =α ex −1 lim =1 x →0 x xα lim x = 0 x → +∞ a ax −1 lim = log e a x →0 x log x lim =0 x → +∞ x α lim x α ⋅ log x = 0 ( α > 0) x log x lim =0 x → +∞ a x = lim e [g ( x )⋅ log f ( x )] x →0 lim [f ( x )]g ( x ) x →0 + x → +∞ x → +∞ Esempi p ⎞x x ⎛ lim ⎜1 + ⎟ = n⎠ ⎝ n x →0 Si pone x n = 1 t ( ep . ) Il limite è della forma 1 ∞ = ? . e si ottiene x = n ⎛ 1⎞ x ⎞x ⎛ lim ⎜⎜1 + ⎟⎟ = lim ⎜1 + ⎟ t →∞ ⎝ x →0 ⎝ t⎠ p⎠ t⋅ n t p n e p p p = = t ⋅ Inoltre (x → 0 ) ⇔ (t → ∞ ) ; n n x t p n t⎤ ⎡ = lim ⎢⎛⎜1 + 1 ⎞⎟ ⎥ t →∞ ⎝ t ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢ log e (1 + nx ) n = . x →0 px p p n e = = n sostituendo: ep . Il limite è della forma ⎛⎜ 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ lim 1 log e (1 + nx ) 1 = lim ⋅ log e (1 + nx ) = lim log e (1 + nx ) px . x →0 x 0 → x →0 px px 1 1 Si pone nx = e si ottiene x = e 1 = 1 = 1 = nt = t ⋅ n Inoltre (x → 0 ) ⇔ (t → ∞ ) ; sostituendo: t nt p 1 p p px p⋅ nt nt lim lim log e (1 + nx ) 1 px x →0 1 = lim log e ⎛⎜1 + ⎞⎟ x →0 ⎝ t⎠ t⋅ n p t⎤ ⎡ = lim log e ⎢⎛⎜1 + 1 ⎞⎟ ⎥ x →0 t ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢⎝ n p n = log e e p = n. p Oppure log e (1 + nx ) n log e (1 + nx ) n log e (1 + nx ) n n = lim = lim = 1⋅ = . ⋅ ⋅ x →0 x →0 x →0 px p px n nx p p lim e nx − 1 n = . lim x →0 p p Il limite è della forma ⎛⎜ 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ n = n. e nx − 1 = e nx − 1 n = e nx − 1 n = 1⋅ ⋅ ⋅ lim lim x →0 x →0 x →0 p p n n p p p lim APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 53 log e x − 1 1 = . x →e x −e e Il limite è della forma ⎛⎜ lim 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ (x → e ) ⇔ (t → o ) ; Si pone x − e = t e si ottiene x = e + t ; e sostituendo 1 = log e e : si ha: log e (e + t ) − log e e ) log e ( x − 1 ) log e (e + t ) − 1 ) = lim = lim = lim lim t →o x →e t →o t →o x −e t t t⎞ ⎛ t⎞ ⎛ log e ⎜1 + ⎟ log e ⎜1 + ⎟ e e⎠ ⎝ e ⎠ 1 = 1⋅ 1 = 1 . ⎝ = lim = lim ⋅ ⋅ t →o t e e e t →o t e e x +1 2x 2 -1 lim x →∞ log e e+t e t t⎞ ⎛ log e ⎜1 + ⎟ e⎠ = ⎝ = lim t →o t = 2 1 x 1 2x 1+ lim x →∞ x +1 2x 2 -1 lim = lim x +1 2x -1 2 x →∞ = 2 x →∞ = 2 log e2 x + 1 ⎞ ⎛∞ = ⎜ =?⎟ 2 + log e x + 2 log e x ⎝ ∞ ⎠ x →0 lim lim x →0 + log e2 x + 1 log e x + t2 +1 = lim t → −∞ t + 2 t 2 2 log e2 x 1 ( ⎛ 1 ⎞ loge x + 3 0 lim ⎜ ⎟ = 0 =? x → +∞ ⎝ x ⎠ lim e 1 1 ⋅ loge loge x + 3 x x → +∞ x → +∞ 2. = Si pone t = log e x = 1+ lim t →−∞ 1 t2 1 +2 t 1 . 2 = [ ]g ( x ) Ricordando che f ( x ) lim e x → +∞ 1 ⋅ (− loge x ) loge x + 3 = lim e x → +∞ ⇒ Inoltre (x → 0 + ) ⇔ (t → −∞ ) − = e g ( x ) ⋅ loge f ( x ) loge x loge x + 3 il limite si riscrive: dividendo per log e x si ha: 1 − lim e = ) 1 2 1+ 3 loge x = e APPUNTI DI MATEMATICA −1 = 1 . e xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 54 Infinitesimi Una funzione f (x) si dice un infinitesimo per x → c , se è lim f(x) = 0 x →c (c può essere uguale anche a ∞) Gli infinitesimi vengono, solitamente, indicati con le lettere α , β , χ , ecc. α α α α ⎧l ≠ 0 ⎪ α ⎪0 Se lim = ⎨ β ⎪∞ ⎪⎩non ∃ e β sono dello stesso ordine è un infinitesimo di ordine superiore a β è un infinitesimo di ordine inferiore a β e β non sono confrontabili Principio di sostituzione degli infinitesimi Se il rapporto di due infinitesimi ammette un limite, questo limite resta invariato se si sostituisce ciascuno di essi con un infinitesimo equivalente. Infinitesimi equivalenti aα - 1 α k (1 + α) kα Infinitesimi equivalenti sen α α tg α α α2 1– cos α 2 arcsen α α arctg α α α n 1+α − 1 n ln (1+α) ln aeα - 1 α α Esempio lim x →0 lim x →0 2arctg x + 3 sen x − 4log(1 + x) 7x 2arctg x + 3 sen x − 4 log(1 + x) 7x APPUNTI DI MATEMATICA Il limite è della forma ⎛⎜ 0 ⎞ = ?⎟ . ⎝0 ⎠ = lim x →0 2x + 3 x - 4x 7x = lim x x →0 7x = lim 1 x →0 7 xoomer.virgilio.it/mimmocorrado = 1 . 7 55 ASINTOTI Una retta r è detta asintoto della curva C se la distanza PH tra il generico punto P∈C e la retta r tende a zero allorchè il punto P si allontana indefinitivamente sulla curva C, tendendo a un suo punto all’infinito. H r Asintoti verticali ⎛ ⎞ ⎜ Se lim f (x) = ± ∞ ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ x→ c ⎝ ⎠ ⎛ Se x → c + ⎜ ⎜ Se x → c − ⎝ P ( ⇒ la retta x = c è Asintoto Verticale ) C ⎞ ⎟ la retta x = c è Asintoto Verticale a sinistra ⎟⎠ ⇒ la retta x = c è Asintoto Verticale a destra ⇒ Asintoti orizzontali ⎛ ⎜ Se lim f (x) = k ⎜ x →∞ ⎝ ⎛ Se x → + ∞ ⎜⎜ ⎝ Se x → - ∞ ⎞ (k ≠ ∞) ⎟ ⎟ ⎠ ⇒ ⇒ ⇒ ( la retta y = k è Asintoto Orizzontale ) la retta y = k è Asintoto Orizzontale a destra la retta y = k è Asintoto Orizzontale a sinistra ⎞ ⎟⎟ ⎠ Asintoti obliqui ⎛ Se lim f (x) = ∞ ⎞ ⎜ ⎟ x →∞ ⎜ ⎟ f (x) 0 ⎧ ⎜ ⎟ =m ≠ ⎨ ∞ ⎜ x lim ⎟ ⎩ x →∞ ⎜ ⎟ ⎜ lim [f (x) - mx ] = q ≠ ∞ ⎟ ⎝ x →∞ ⎠ ⎛ Se x → + ∞ ⎜⎜ ⎝ Se x → − ∞ ⇒ ⇒ ⇒ ⎞ ⎛ ⎟ ⎜ ⎜ la retta y = mx + q è Asintoto Obliquo ⎟ ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ la retta y = mx + q è Asintoto Obliquo a destra la retta y = mx + q è Asintoto Obliquo a sinistra ⎞ ⎟⎟ ⎠ Osservazioni Le funzioni algebriche razionali intere non hanno asintoti di alcun genere. Le funzioni algebriche razionali fratte hanno: - tanti asintoti verticali quanti sono gli zeri del denominatore; - un asintoto orizzontale quando il grado del numeratore è minore o uguale a quello del denominatore - un asintoto obliquo quando il grado del numeratore supera di 1 quello del denominatore. Le funzioni irrazionali il cui insieme di definizione si estende all’infinito possono avere due asintoti obliqui e/o orizzontali (uno a destra e uno a sinistra). APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 56 DERIVATA DI UNA FUNZIONE Tangente ad una curva Prima di dare la definizione di derivata di una funzione, diamo la definizione di retta tangente. Si chiama tangente ad una curva piana in un suo punto P, la posizione limite, se esiste, della retta (secante) che unisce P con un altro punto Q qualsiasi della curva, allorchè si fa avvicinare Q indefinitivamente a P. Ricordiamo però che la posizione limite della retta secante PQ deve esistere (ed essere sempre la stessa) comunque Q si avvicini a P (cioè sia che Q si avvicini a da destra, sia che Q si avvicini a P da sinistra). Pertanto la tangente ad una curva, come si può notare dal grafico sottostante, può anche non esistere. s'' s' s'' t s' P P t' Q' Q' Q'' Q'' Comunque si prende un punto Q' nel ramo t'' In questo caso invece, non esiste la retta tangente destro della curva e un punto Q'' nel ramo sinistro, e li facciamo tendere al punto P, alla curva nel punto P. Poichè facendo tendere Q' al punto P si ottiene la retta t', mentre facendo si ottiene che entrambe le rette secanti s' e s'' tendono alla retta t che risulta essere la tendere Q'' al punto P si ottiene la retta t'' . la tangente alla curva nel punto P . Definizione di derivata e suo significato geometrico t y s Q f(x + h) ° β P f(x ) T ° β α O x ° x +h x ° Data una funzione y = f (x) definita in certo dominio (a, b) , per trovare la retta tangente alla curva in un suo punto P (x0 ; f ( x0 ) ), consideriamo un altro punto Q ( x 0 + h , f (x 0 + h) ) della curva e facciamolo avvicinare indefinitivamente al punto P. APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 57 Si osserva che man mano che Q si avvicina P la retta per PQ varia la sua inclinazione, fino ad assumere la posizione limite della retta tangente t. L 'equazione di tale retta tangente t si trova con la nota formula della geometria analitica : y – y P = m · ( x – x P ) dove m è il coefficiente angolare della retta t , cioè m = tg α . Osservando la figura, l’angolo α rappresenta l'inclinazione limite della retta secante, al tendere del punto ⇒ lim tg β = tg α ⇒ lim tg β = tg α Q al punto P, cioè lim β = α Q→P Q→P h →0 Dalla trigonometria sappiamo poi, che in un triangolo rettangolo : la tangente di un angolo è uguale al rapporto fra il cateto opposto all’angolo e il cateto adiacente, pertanto nel triangolo rettangolo PQT : tg β = QT PT = f (x 0 + h ) − f (x 0 ) h ⇒ m = tg α = lim tg β = lim h →0 f (x 0 + h ) − f (x 0 ) h h →0 Pertanto il coefficiente angolare m della retta tangente t alla curva y = f (x) nel punto x 0 è dato dal limite f (x 0 + h ) − f (x 0 ) m = lim h h →0 h è detto incremento della variabile indipendente x ( ∆x ) ; f (x 0 + h ) - f (x 0 ) è detto incremento della variabile dipendente y ( ∆y ) ; ∆ y f (x 0 + h ) − f (x 0 ) = è detto rapporto incrementale di f (x) relativo al punto x 0 e all’incremento h h ∆x Derivata di una funzione La derivata di una funzione y = f (x) , nel punto x 0 interno al suo dominio, è il limite, se esiste ed è finito, del rapporto incrementale per h → 0 , e si scrive : f ' ( x0 ) = lim h →0 f (x0 + h ) − f (x0 ) h Se il limite in questione non esiste finito si dice che la funzione non è derivabile in x0 . Se esiste finito solo il limite destro (o il limite sinistro) si dice che la funzione è derivabile solo a destra (o derivabile solo a sinistra). Se la funzione f (x) è derivabile in ciascun punto x di un intervallo (a, b) , si dice che essa è derivabile nell’intervallo (a, b) . dy . I simboli utilizzati per indicare la derivata di una funzione sono : f I ( x ) , y I ( x ) , D f ( x ) , dx Concludendo, la derivata di una funzione y = f (x) calcolata in un punto x 0 , rappresenta il coefficiente angolare m della retta tangente t alla curva in questione nel suo punto P (x 0 , f (x 0) ) , cioè : f ' (x 0) = m t . APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 58 TEOREMI SULLE DERIVATE Derivata della somma D [ f (x) + g (x) ] = f I (x) + g I (x) Derivata del prodotto D [ f (x) ⋅ g (x) ] = f I (x) ⋅ g(x) + f(x) ⋅ g I (x) Derivata del prodotto di una costante per una funzione D [ k ⋅ g (x) ] = k ⋅ f I (x) Derivata del quoziente ⎡ f(x) ⎤ f I ( x ) ⋅ g ( x ) − f ( x ) ⋅ g I ( x ) D⎢ ⎥= [g( x )] 2 ⎣ g(x) ⎦ Derivata della funzione composta D g [ f (x)] = g I [f(x)] ⋅ f I (x) Esempio: D log e sen x = 1 ⋅ cos x = cotg x . sen x Derivata della funzione inversa D f (x) = 1 g (y) I dove g ( y ) = f −1 ( y ) Esempio ⎡ π π⎤ Sia y = arcsen x . La funzione inversa è x = sen y definita in ⎢− , ⎥ ⇒ ⎣ 2 2⎦ 1 1 1 1 = D arcsen x = = = 2 D sen y cos y 1 − sen y 1 − x2 APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 59 TEOREMI SULLE DERIVATE (dimostrazioni) Derivata della somma D[f ( x ) + g( x )] = lim D [ f (x) [f (x + h ) + g (x + h )] − [f (x) + g (x)] = lim f (x + h ) − f (x) + g (x + h ) − g (x) = h h →0 = lim f (x + h ) − f (x ) h + lim h →0 Derivata del prodotto D[f ( x ) ⋅ g ( x )] = lim + g (x) ] = f I (x) + g I (x) h h →0 g (x + h ) − g (x ) = f I (x) + g I (x) h h →0 [ f (x) D ⋅ g (x) ] = f I (x) ⋅ g(x) + f(x) ⋅ g I (x) [f (x + h ) ⋅ g (x + h )] − [f (x) ⋅ g (x)] = aggiungendo e sottraendo f (x + h) • g (x) h h →0 f (x + h ) ⋅ g (x + h ) − f (x ) ⋅ g (x ) + f (x + h ) ⋅ g (x ) − f (x + h ) ⋅ g (x ) = h = lim h →0 = lim f (x + h ) ⋅ [g (x + h ) − g (x )] + g( x ) ⋅ [f (x + h ) − f (x )] = h h →0 = lim f (x + h ) ⋅ h →0 f (x + h ) − f (x ) g (x + h ) − g (x ) = f(x) • g I (x) + f I (x) + lim g ( x ) ⋅ h h • g (x) h →0 Derivata del prodotto di una costante per una funzione D[k ⋅ f ( x )] = lim D [ k ⋅ g (x) ] = k ⋅ f I (x) k ⋅ f (x + h) − k ⋅ f (x) f (x + h) − f (x) k ⋅ f (x + h) − k ⋅ f (x) = k • f I (x) = lim = lim k ⋅ h k h h →0 h →0 h →0 ⎡ f(x) ⎤ f I ( x ) ⋅ g ( x ) − f ( x ) ⋅ g I ( x ) Derivata del quoziente D ⎢ ⎥= [g( x )] 2 ⎣ g(x) ⎦ f (x + h) f (x) f ( x + h ) ⋅ g( x ) − g( x + h ) ⋅ f ( x ) − f(x) g( x + h ) g( x ) g(x + h) ⋅ g(x) D aggiungendo e sottraendo f(x)•g(x) = lim = lim g(x) x → 0 h h x→ 0 1 f ( x + h ) ⋅ g( x ) − f ( x ) ⋅ g( x ) − g( x + h ) ⋅ f ( x ) + f ( x ) ⋅ g( x ) = = lim g( x + h ) ⋅ g( x ) x→ 0 h f (x + h) − f (x) g( x + h ) − g( x ) ⎤ 1 ⎡ − f (x) g( x ) ⋅ ⎢ ⎥ = h h x → 0 g( x + h ) ⋅ g( x ) ⎣ ⎦ = lim = [ ] g( x ) ⋅ f I ( x ) − f ( x ) ⋅ g I ( x ) 1 g( x ) ⋅ f I ( x ) − f ( x ) ⋅ g I ( x ) = . g( x ) ⋅ g( x ) [g( x)]2 APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 60 TABELLA DELLE PRINCIPALI REGOLE DI DERIVAZIONE D g [ f (x)] = g I [f(x)] ⋅ f I (x) D f(x) D costante = 0 D x n = n x n-1 D [f (x)] n = n [f (x)] n-1 • f I ( x) 1 1 =− x x2 D D nx = D n xp = D 1 D n f ( x) = n x n −1 n p D n [f ( x)]p = n x n −p D x= n 1 2 x 1 1 sen 2 x D log a x = 1 1 log a e = x x ⋅ log e a 1 x 2 f ( x) f I ( x) cos 2 f ( x ) D cotg f (x) = − D log a x = 1− x2 D arccos x = − 1 1− x2 1+ x2 D x x = x x • ( 1 + log e x) sen 2 f ( x) 1 1+ x2 f I ( x) f ( x) D a f (x) = a f (x) • log e a •f I (x) D e f (x) = f I (x) • e f (x) f I ( x) D arcsen f (x) = 1 − [f ( x)] 2 D arccos f (x) = − 1 D arccotg x = − f I ( x) f I ( x) f ( x) ⋅ log e a 1 D arcsen x = APPUNTI DI MATEMATICA f I ( x) D log e f (x) = D a x = ax ⋅ log e a D e x = ex D arctg x = nn [f ( x )]n −p D tg f (x) = = −(1 + cotg 2 x) D log e x = p ⋅ f I ( x) D sen f (x) = f (x) • cos f (x) D cos f (x) = − f I (x) • sen f (x) cos x D cotg x = − nn f ( x ) n −1 I = 1 + tg 2 x 2 f I ( x) D f ( x) = D sen x = cos x D cos x = − sen x D tg x = f I (x) 1 =− f (x) [f ( x)] 2 D arctg f (x) = D arccotg x = − f I ( x) 1 − [f ( x )] 2 f I ( x) 1 + [f ( x )] 2 f I ( x) 1 + [f ( x)]2 ⎡ g (x) I ⎤ ⋅ f (x)⎥ D [f (x)] g (x) = [ f (x)] g (x) ⋅ ⎢g I (x) ⋅ log e f (x) + f (x) ⎣ ⎦ xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 61 DERIVATE DI ALCUNE FUNZIONI ELEMENTARI (dimostrazioni) La derivata della funzione y = k è zero ∀ ∈ R Infatti f ' ( x) = lim h →0 f (x + h ) − f (x ) k−k 0 = lim = lim = 0 h h h h →0 h →0 Questo risultato può essere ottenuto anche graficamente, infatti la funzione y = k rappresenta una retta orizzontale e pertanto la retta tangente ad essa è la retta stessa, la quale essendo orizzontale ha coefficiente angolare zero. ∀∈ R Dx=1 Infatti f ' ( x) = lim h →0 f (x + h ) − f (x ) x+h−x h = lim = lim =1 h h h h →0 h →0 Questo risultato può essere ottenuto anche graficamente, infatti la funzione y = x è la bisettrice del I° e III° quadrante e pertanto la retta tangente ad essa è la retta stessa, la quale ha coefficiente angolare uno. ∀∈ R f (x + h ) − f (x ) = lim f ' ( x) = lim h (x + h ) 2 − x 2 ∀∈ R f (x + h ) − f (x ) = lim f ' ( x) = lim h (x + h )3 − x 3 D x 2 = 2x h →0 D x 3 = 3 x2 = lim h →0 h →0 3 h →0 h h →0 2 = lim h ⋅ (h + 2x ) x 2 + h 2 + 2hx − x 2 =2x = lim h h h →0 x 3 + h 3 + 3hx 2 + 3h 2 x − x 3 = h h →0 2 h ⋅ (h + 3x + 3hx ) h + 3hx + 3h x = lim (h 2 + 3x 2 + 3hx ) = 3 x 2 = lim h h h →0 2 2 h →0 D x n = n x n-1 ∀∈ R f (x + h ) − f (x ) = lim f ' ( x) = lim h = lim h h →0 = lim h →0 n x + nx n −1 ⋅h + a 2x h →0 n −2 h →0 2 (x + h ) n − x n h = ⋅ h + . . . + a n -1 x ⋅ h n −1 + h n − x n = h h ⋅ (nx n −1 + a 2 x n − 2 ⋅ h + . . . + a n -1 x ⋅ h n − 2 + h n -1 ) = n x n-1 = lim h h →0 APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 62 D x= 1 ∀x ≥ 0 2 x f (x + h ) − f (x ) = lim h f ' ( x) = lim h →0 = lim h →0 h⋅ D log e x = ( h →0 x+h−x x+h + x 1 x ) = lim h →0 h⋅ x+h + x x+h − x ⋅ = h x+h + x x+h − x = lim h h →0 ( h x+h + x ) 1 = lim x+h + x h →0 h →0 h →0 ⇒ 2 x ∀x > 0 log e ( x + h ) − log e x f (x + h ) − f (x ) f ' ( x) = lim = lim = lim h h = lim 1 = 1 x+h ⎛ = lim ⎜ log e log e h x ⎝ h →0 t 1⎞ x ⎛ = lim log e ⎜1 + ⎟ ⎝ t⎠ t →∞ h →0 1 x +h ⎞h ⎟ x ⎠ log e h →0 1 h ⎞h ⎛ = lim log e ⎜1 + ⎟ ⎝ x⎠ x+h x = h ponendo h →0 1 t ⎤x 1⎞ ⎡⎛ = lim log e ⎢⎜1 + ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ t ⎠ ⎥⎦ = log e 1 ex = h 1 = x t ⇒ h= x t 1 x t →∞ 1 1 1 ⋅ = ⋅ log a e ∀ x > 0 x log e a x log e x 1 1 1 1 1 ⇒ D log e x = D ⋅ log e x = ⋅ D log e x = ⋅ = ⋅ log a e Essendo log a x = log e a log e a log e a x x log e a D log a x = ∀∈ R f (x + h ) − f (x ) e x+h − e x f ' ( x) = lim = lim h h D ex = ex h →0 h →0 = lim h →0 ex ⋅eh − ex e h −1 = ex = lim e x h h h →0 D sen x = cos x ∀ ∈ R f (x + h ) − f (x ) sen(x + h ) − sen x sen x ⋅ cos h + cos x ⋅ sen h − sen x f ' ( x) = lim = = lim = lim h h h h →0 h →0 h →0 sen x ⋅ (cos h - 1) + cos x ⋅ sen h cos h - 1 sen h ⎤ ⎡ = lim ⎢senx ⋅ + cos x = cos x poiché = lim h h ⎥⎦ h ⎣ h →0 h →0 sen h lim =1 h h →0 APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 63 e lim h →0 cos 2 h - 1 − sen 2 h cos h - 1 sen h sen h 0 = lim = lim − = lim ⋅ =− 1⋅ = 0 h h ⋅ (cos h + 1) h ⋅ (cos h + 1) h cos h + 1 2 h →0 h →0 h →0 D cos x = − sen x ∀ ∈ R f (x + h ) − f (x ) cos ( x + h ) − cos x cos x ⋅ cos h − sen x ⋅ sen h − cos x f ' ( x) = lim = lim = = lim h h h h →0 h →0 h →0 cos x ⋅ (cos h - 1) − sen x ⋅ sen h cos h - 1 sen h ⎤ ⎡ = lim = lim ⎢cosx ⋅ − sen x = - sen x h h ⎥⎦ h ⎣ h →0 D tg x = h →0 1 ∀x ≠ cos 2 x sen x = D tg x = D cos x APPUNTI DI MATEMATICA π + kπ 2 cos x ⋅ cos x − (− sen x ) ⋅ sen x cos 2 x = cos 2 x + sen 2 x cos 2 x = xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 1 cos 2 x 64 MAX MINIMI E FLESSI Sia y = f (x) una funzione reale definita nell’intervallo [a, b] ed x 0 un punto di tale intervallo ; se per ogni x appartenete ad [a, b] risulta : f (x) < f (x 0) : si dice che x 0 è un punto di massimo assoluto per la funzione ; f (x) > f (x 0) : si dice che x 0 è un punto di minimo assoluto per la funzione ; se esiste un intorno H del punto x 0 , per ogni x del quale, diverso da x 0 , risulta : f (x) < f (x 0) : si dice che x 0 è un punto di massimo relativo per la funzione ; f (x) > f (x 0) : si dice che x 0 è un punto di minimo relativo per la funzione ; Un punto P ( x 0 , f (x 0) ) è un punto di flesso per la funzione y = f (x) se la curva passa da una parte all’altra della tangente in esso. y Max assoluto . . . . Max relativo Flesso . . Min assoluto O . . Flesso Flesso . . Min relativo . a . x'o . b x''o x Regola per la determinazione dei max e dei min relativi Si calcola la derivata prima della funzione y = f (x) e si trovano le soluzioni dell’equazione f I (x) = 0 ; e sia x 0 una di queste soluzioni. ⎧< 0 x 0 max ⎪ Si calcola la derivata seconda f I I (x) . Se risulta f I I ( x 0 ) = ⎨ > 0 x 0 min ⎪= 0 x ? 0 ⎩ Se f I I (x 0) = 0 si calcola f I I I (x) . Se risulta f I I I (x) ≠ 0 allora x 0 non è ne max ne min. Se risulta f I I I (x) = 0 , si calcolano le derivate successive fino a trovare quella che non si annulla in x 0. Se quest’ultima è di ordine pari, si ha in x 0 un massimo se tale derivata è negativa, oppure un minimo , se essa è negativa; se invece è di ordine dispari, x 0 non è nè punto di max nè punto di min relativo per la funzione . Determinazione dei max e dei min relativi ( II ° metodo ) Si calcola la derivata prima della funzione y = f (x) e si studia il segno della derivata prima f I (x) > 0 ; negli intervalli dove la derivata prima è positiva la funzione è crescente; negli intervalli dove la derivata prima è negativa la funzione è decrescente; Regola pratica per la determinazione dei flessi Si calcola la derivata seconda della funzione y = f (x) e si trovano le soluzioni dell’equazione f I I (x) = 0 e sia x 0 una di queste soluzioni. Se la prima derivata , dopo la derivata seconda , che non si annulla in x 0 è : di ordine dispari, la curva ha un flesso in P0 (x 0, f (x 0) ) se la derivata è positiva ⎧l' alto di ordine pari, la curva volge in P0 (x 0, f (x 0) ) la concavità verso ⎨ ⎩ il basso se la derivata è negativa APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 65 TEOREMA DI ROLLE ⎛ Sia f (x) una funzione continua nell' intervallo ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ chiuso [a, b] e derivabile nell' intervallo aperto ⎟ ⎜ ( a, b ) e sia inoltre f (a) = f (b) ⎟ ⎝ ⎠ ⇒ ⎛ Esiste almeno un punto c ∈ (a, b) nel ⎜ ⎜ quale la derivata della funzione è nulla, ⎜⎜ f I (c) = 0 ⎝ cioè : ⎞ ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎠ Il significato geometrico del teorema di Rolle è il seguente: ⎛ Se un arco di curva , di equazione y = f (x), ⎜ ⎜ è dotato di tangente in ciascuno dei suoi ⎜ punti, esclusi al più gli estremi, ed inoltre ⎜ ⎜ ha le ordinate dei due estremi uguali ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⇒ ⎛ Esiste almeno un punto, interno all' arco,⎞ ⎜ ⎟ ⎜ nel quale la retta tangente è parallela ⎟ ⎜ all' asse delle ascisse. ⎟ ⎝ ⎠ y y f (a) = f ( b) f (a) = f ( b) a c a x b c1 c2 b x Se invece viene a mancare una delle ipotesi del Teorema, l’esistenza del punto c ∈ (a, b) nel quale la tangente è orizzontale non è assicurata. Si osservano i seguenti controesempi: f (a) ≠ f (b) f (x) non è continua in tutto (a, b) f (x) non è derivabile in tutto (a, b) y y y f ( b) f (a) = f ( b) f (a) = f ( b) f (a) a b APPUNTI DI MATEMATICA x a b x xoomer.virgilio.it/mimmocorrado a b x 66 TEOREMA DI LAGRANGE ⎛ Sia f (x) una funzione continua nello ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ intervallo chiuso [a, b] e derivabile ⎟ ⎜ nell' intervallo aperto ( a, b ) ⎟ ⎝ ⎠ ⇒ ⎛ ⎞ ⎜ Esiste almeno un punto c ∈ (a, b) ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ nel quale la derivata è uguale al ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ rapporto incrementale della funzione ⎟ ⎜ relativo all' intervallo (a, b), cioe : ⎟ ⎜ ⎟ f(b) - f(a) I ⎜ ⎟ f (c) = ⎜ ⎟ b-a ⎝ ⎠ Il significato geometrico del teorema di Lagrange è il seguente: ⎛ Se un arco di curva , di equazione y = f (x),⎞ ⎜ ⎟ ⎜ è dotato di tangente in ciascuno dei suoi ⎟ ⎜ punti, esclusi al più gli estremi ⎟ ⎝ ⎠ ⇒ ⎛ Esiste almeno un punto, interno all' arco, la ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ cui la retta tangente è parallela alla corda ⎟ ⎜ congiungente i punti estremi dell' arco stesso.⎟ ⎝ ⎠ t1 t y f ( b) f ( b) B B t2 f (a) f (a) A c a A a x b c1 c2 x b Se invece viene a mancare una delle ipotesi del Teorema, l’esistenza del punto c ∈ (a, b) nel quale la tangente è parallela alla corda AB non è assicurata. Si osservano i seguenti controesempi: f (x) non è continua in tutto (a, b) f (x) non è derivabile in tutto (a, b) y y f ( b) B f ( b) f (a) f (a) A a APPUNTI DI MATEMATICA b x B A a xoomer.virgilio.it/mimmocorrado b x 67 TEOREMA DI DE L’HOPITAL ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ Sia x 0 ∈ (a, b) e siano f (x) e g (x) due funzioni : ⎟ ⎜ - continue in [a, b] e derivabili in (a, b) - {x } ⎟ 0 ⎜ ⎟ ⎜ - g I (x) ≠ 0 ∀x ∈ (a, b) - {x0 } ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ - f (x 0 ) = g (x 0 ) = 0 ⎟ ⎜ ⎟ I ⎜ - esiste (finito o infinito) il lim f (x) ⎟ I ⎜ ⎟ x → x0 g (x) ⎝ ⎠ ⇒ ⎛ f (x) f I (x) ⎞ ⎜ lim = lim I ⎟⎟ ⎜ x → x g (x) x → x0 g (x) ⎠ 0 ⎝ La validità del teorema suddetto si estende anche: al caso in cui x → ∞ al caso in cui le due funzioni sono infinite (forma indeterminata ∞ ). ∞ Applicazioni del Teorema di De L’Hopital Il teorema di De L’Hopital permette di calcolare molti limiti che si presentano nelle forme indeterminate 0 ∞ . Inoltre, mediante particolari accorgimenti, permette di calcolare anche quelli che si presentano e ∞ 0 nelle forme indeterminate 0 ⋅ ∞ e + ∞ - ∞ . Esempi 0 2 - 2x 1 - x2 1 - x2 = applicando De L’Hopital si ha : lim = lim = − . lim 3 3 2 0 3 x→ 1 3x x→1 x − 1 x→1 x − 1 5 sen x 0 5 sen x 5 cos x 5 = applicando De L’Hopital si ha : lim = lim = . 0 3 3 x→ 0 3 x x→ 0 3 x x→ 0 lim 2 ⋅ ex − 2 0 2 ⋅ ex − 2 2 ⋅ ex = applicando De L’Hopital si ha : lim = lim =2. 0 x→ 0 sen x x→ 0 sen x x→ 0 cos x lim lim x→ ∞ 1 - 3x 2 5x 2 + 4 x − 6 = ∞ ∞ - 6x 1 - 3x 2 applicando De L’Hopital si ha : lim = lim = ∞ ∞ x→ ∞ 10x + 4 x → ∞ 5x 2 + 4 x − 6 -6 applicando nuovamente De L’Hopital si ha : lim = − x → ∞ 10 3 . 5 log x ∞ = e con De L’Hopital si ha: 1 ∞ + x→ 0 x lim x log x = 0 ⋅ ∞ ma il limite può essere scritto: lim x→ 0 + lim x→ 0 + − 1 x 1 x2 = 1 2 ⋅ x = lim - x = 0 . x + x→ 0 x→ 0 + lim - APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 68 STUDIO DEL GRAFICO DI UNA FUNZIONE Lo studio del grafico di una funzione avviene esaminando i seguenti punti : 1. Determinazione del nome e del grado della funzione 2. Determinazione del dominio della funzione 3. Determinazione dei punti di discontinuità della funzione 4. Determinazione di eventuali simmetrie e periodicità 5. Determinazione degli eventuali punti di intersezione della curva con gli assi cartesiani 6. Determinazione del segno della funzione 7. Calcolo dei limiti agli estremi di definizione 8. Determinazione degli asintoti della curva 9. Calcolo della derivata prima della funzione 10. Determinazione del dominio della derivata prima della funzione 11. Determinazione dei punti di non derivabilità 12. Determinazione dei punti in cui la derivata prima vale zero. 13. Determinazione del segno della derivata prima 14. Determinazione dei Max e dei Min relativi 15. Calcolo della derivata seconda della funzione 16. Determinazione del segno della derivata seconda 17. Determinazione della concavità della curva e dei punti di flesso. 18. Calcolo dei limiti della derivata prima nei punti di frontiera dell’insieme di esistenza 19. Rappresentazione grafica della curva, con l’aiuto anche del calcolo di altri punti della curva. APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 69 APPUNTI DI MATEMATICA xoomer.virgilio.it/mimmocorrado 70