I LIMITI Consideriamo funzioni f : Rn → R. Sia A ⊆ Rn il dominio di f e sia x̄ un punto di accumulazione di A. Definizione. Si dice che esiste il limite per x che tende a x̄ di f (x) ed è uguale a l ∈ R, e si indica con lim f (x) = l x→x̄ se ∀B(l, ε)∃B(x̄, δ), x ∈ B(x̄, δ) ∩ A \ {x̄} =⇒ f (x) ∈ B(l, ε) Osservazioni. 1. Nella definizione è importante escludere il punto x̄ dall’insieme dei punti in cui si valuta la funzione. Per esempio, se noi definiamo una funzione f : R → R: f (x) = 2 0 se x 6= 1 se x = 1 vedremo in seguito che limx→0 f (x) = 1. Se però non escludessimo 0 dall’insieme dei punti considerati, questa funzione non avrebbe limite. 2. Se x̄ non è un punto di accumulazione di A, esisterebbe un intorno di x̄ tale che B(x̄, δ)∩ A \ {x̄} = ∅ e la definizione non sarebbe significativa. 3. Nella definizione è essenziale l’ordine con il quale si scelgono gli intorni: bisogna prima prendere un intorno arbitrario di l; in funzione di questo, dobbiamo trovare un intorno di x̄ sul quale valutare la funzione. Esempi. 1. f (x) = 2 0 se x 6= 1 se x = 1 Verifichiamo che limx→1 f (x) = 2. Osserviamo che il dominio di f è tutto R. Dobbiamo far vedere che. ∀B(2, ε)∃B(1, δ), x ∈ B(1, δ) ∩ R \ {1} =⇒ f (x) ∈ B(2, ε) e cioè, scelto ε > 0, dobbiamo trovare un δ > 0 tale che, se 0 < |x − 1| < δ, allora |f (x) − 2| < ε. Dato che, per ogni x 6= 1, f (x) = 2, abbiamo che |f (x) − 2| = 0 < ε, qualunque sia l’intorno di x̄ = 1 scelto e dunque limx→1 f (x) = 2. Come abbiamo già osservato in precedenza, se non togliamo il punto x̄ = 1, la proposizione non è più vera, perché f (1) = 0, che non sta in un intorno arbitrario di 2. 1 2. Data la funzione f : R2 → R, f (x, y) = x2 + y 2 , verifichiamo che lim (x,y)→(0,0) (x2 + y 2 ) = 0. Sia O = (0, 0). Dob- biamo far vedere che ∀B(O, ε)∃B(0, δ), (x, y) ∈ B(O, δ) \ {O} =⇒ x2 + y 2 ∈ B(0, ε), e cioè, fissato un intorno arbitrario di 0 sull’asse reale (un intervallo (−ε, ε)), dobbiamo trovare un intorno dell’origine che hanno distanza inferiore √ 2 (cioè2 l’insieme dei punti2(x, y) 2 a δ dall’origine, e dunque x + y < δ ) per i quali x +y < ε. Basterà allora prendere √ δ = ε. Rileggiamo la definizione di limite ricordando cosa si intende per intorno sferico di un punto in R e in Rn . In particolare, un intorno B(x̄, δ) è l’insieme dei punti che hanno distanza da x̄ inferiore a δ. Indicato con x un punto di Rn e con y un numero reale: x ∈ B(x̄, δ) \ {x̄} ⇐⇒ 0 < kx − x̄k < δ y ∈ B(l, ε) ⇐⇒ |y − l| < ε ⇐⇒ l − ε < y < l + ε Potremo allora dire che limx→x̄ f (x) = l se e solo se ∀ε > 0 ∃δ > 0, 0 < kx − x̄k < δ e x ∈ A =⇒ |f (x) − l| < ε o anche ∀ε > 0 ∃δ > 0, 0 < kx − x̄k < δ e x ∈ A =⇒ l − ε < f (x) < l + ε. A seconda dei casi useremo la notazione che più ci farà comodo. Infiniti. Per estensione, abbiamo definito come intorno di +∞ in R una semiretta (a, +∞), mentre (−∞, a) è un intorno di −∞. Per uniformità di notazione, continuiamo a denotare con B(+∞, a) e B(−∞, a) questi intorni. Sia x̄ un punto di accumulazione del dominio A di una funzione f : Rn → R. Supponiamo che f sia illimitata in un intorno di x̄. Definizione. Diremo che f (x) tende a +∞ per x → x̄, e scriveremo lim f (x) = +∞ x→x̄ se ∀B(+∞, a) ∃B(x̄, δ), x ∈ B(x̄, δ) ∩ A \ {x̄} =⇒ f (x) ∈ B(+∞, a). Ricordando il significato di intorno di x̄ e di intorno di +∞, la definizione può essere scritta anche cosı̀: ∀a ∈ R ∃δ > 0, 0 < kx − x̄k < δ e x ∈ A =⇒ f (x) > a. Definizione. Diremo che f (x) tende a −∞ per x → x̄, e scriveremo lim f (x) = −∞ x→x̄ 2 se ∀B(−∞, a) ∃B(x̄, δ), x ∈ B(x̄, δ) ∩ A \ {x̄} =⇒ f (x) ∈ B(−∞, a). o anche ∀a ∈ R ∃δ > 0, 0 < kx − x̄k < δ e x ∈ A =⇒ f (x) < a. Esempi. 1. Sia f (x) = questo caso 1 . x2 Allora A =domf = R \ {0}, e 0 è punto di accumulazione di A. In 1 = +∞. x→x̄ x2 lim Dobbiamo far vedere che ∀a ∈ R ∃δ > 0, 0 < |x| < δ e x ∈ A =⇒ 1 > a. x2 Se a ≤ 0 x12 > a per ogni x ∈ A. Se invece a > 0, x12 > a ⇐⇒ x2 < a1 e x 6= 0, cioè se e solo se |x| < √1a e x 6= 0. Abbiamo cosı̀ trovato un intorno di x̄ = 0 di raggio δ = √1a per cui la proposizione è verificata. 2. Analogamente si può mostrare che 1 lim − 2 x→x̄ x = −∞. 3. Non tutte le funzioni illimitate hanno limite uguale a +∞ o a −∞. Per esempio, la funzione f (x) = x1 non ha limite per x → 0. In questo caso però possiamo ancora dare una definizione utile. Definizione. Diremo che la funzione tende a ∞ per x → x̄, e scriveremo lim f (x) = ∞ x→x̄ se ∀B(+∞, a) ∃B(x̄, δ), x ∈ B(x̄, δ) ∩ A \ {x̄} =⇒ |f (x)| ∈ B(+∞, a) cioè se ∀a ∈ R ∃δ > 0, 0 < kx − x̄k < δ e x ∈ A =⇒ |f (x)| > a. La funzione f (x) = x1 soddisfa questa proprietà. Definizione. Una funzione il cui limite per x → x̄ tende a ∞ viene detta un infinito per x → x̄. Osservazione. Non tutte le funzioni illimitate in un intorno di un punto di accumulazione del dominio hanno limite infinito. Per esempio, la funzione f (x) = 1 1 · sin x x è illimitata in un intorno di x = 0, ma non ha limite, poiché in ogni intorno dell’origine assume tutti i valori reali. 3 Esercizi. 1. Verificare, usando la definizione, che limx→0 1 x4 2. Verificare, usando la definizione, che limx→5 1 x−5 = +∞. = ∞. Limiti all’infinito. In questo paragrafo lavoreremo esclusivamente con funzioni il cui dominio è un sottoinsieme di R. Definizione. Dato un insieme A ∈ R, diremo che +∞ è un punto di accumulazione di A se ∀(a, +∞), A ∩ (a, +∞) 6= ∅. Analogamente si dice che −∞ è un punto di accumulazione di A se ∀(−∞, a), A ∩ (−∞, a) 6= ∅. Per esempio, +∞ è l’unico punto di accumulazione di N, mentre +∞ e −∞ sono gli unici punti di accumulazione di Z. Definizione. Sia f : A ⊆ R → R e sia +∞ un punto di accumulazione di A. Diremo che esiste il limite per x → +∞ di f ed è uguale a l ∈ R, e scriveremo lim f (x) = l x→+∞ se ∀B(l, ε) ∃(a, +∞), x ∈ (a, +∞) ∩ A =⇒ f (x) ∈ B(l, ε). La stessa definizione può essere scritta cosı̀: ∀ε > 0 ∃a ∈ R, x > a e x ∈ A =⇒ l − ε < f (x) < l + ε. Se −∞ è un punto di accumulazione di A, potremo dare una analoga definizione di limite per x → −∞. Inoltre, può accadere che tali limiti siano uguali a +∞, −∞ o ∞. Lasciamo al lettore la formulazione delle definizioni esatte. Esempi. 1. Sia f (x) = x1 . Il dominio di f è R \ {0}, quindi +∞ e −∞ sono punti di accumulazione del dominio. Vediamo che 1 lim = 0. x→+∞ x Dobbiamo dimostrare che, fissato ε > 0, esiste a ∈ R tale che, se x > a e x 6= 0, allora −ε < x1 < ε. Possiamo limitarci alle x > 0, per le quali f (x) > 0. Osserviamo allora che solo se x > 1ε ; sceglieremo dunque a = 1ε . Il lettore dimostri che anche limx→−∞ 1 x 1 x < ε se e = 0. 2. f (x) = x2 . In questo caso mostriamo che lim x2 = +∞. x→−∞ Dobbiamo far vedere che: ∀(M, +∞) ∃(−∞, a), x ∈ (−∞, a) =⇒ f (x) = x2 ∈ (M, +∞). Ma x2 ∈ (M, +∞) se e solo se x2 > M . Se M <√0 la diseguaglianza è sempre verificata. √ 2 Se invece M > 0, x > M se e solo √ se x < − M o x > M . Abbiamo cosı̀ trovato l’intorno di −∞ cercato: (−∞, − M ). 4 Notazioni. Da adesso in poi indicheremo con c un punto di accumulazione di A (eventualmente uguale a +∞ o a −∞) e con B(c) un intorno di c (a seconda dei casi sarà un incontro sferico o una semiretta). Quando necessario, specificheremo meglio il tipo di intorno considerato. Limite destro e limite sinistro. Definizione. 1. Sia x̄ ∈ R. Diciamo intorno destro di x̄ un intervallo [x̄, x̄ + δ). Diciamo intorno sinistro di x̄ un intervallo (x̄ − δ, x̄]. Denotiamo con B + (x̄) un intorno destro e con B(x̄− ) un intorno sinistro di x̄. 2. Sia A ⊆ R. Diciamo che x̄ è un punto di accumulazione destro di A se ∀B + (x̄), A ∩ B + (x̄) \ {x̄} = 6 ∅. Diciamo che x̄ è un punto di accumulazione sinistro di A se ∀B − (x̄), A∩B − (x̄)\{x̄} = 6 ∅. Definizione. Sia f : A ⊆ R → R e sia c un punto di accumulazione destro di A. Diremo che esiste il limite destro di f (x) per x che tende a c, ed è uguale a L e scriveremo lim f (x) = L x→c+ se ∀B(L) ∃B + (c), x ∈ B + (c) ∩ A \ {c} =⇒ f (x) ∈ B(L). Analogamente definiremo il limite sinistro di f (x) per x che tende a c, che indicheremo come lim− f (x) = L. x→c Lasciamo al lettore quest’ultima definizione. Può accadere che una funzione non abbia limite per x → c, ma che abbia limite destro e limite sinistro. Per esempio, f (x) = x1 non ha limite per x → 0, ma: lim x→0+ 1 = +∞, x lim x→0− 5 1 = −∞ x Come verificare che una funzione non ha limite per x → x̄. Vogliamo far vedere come si nega l’esistenza del limite. Dalla logica sappiamo che negare un predicato ∀y ∃x, p(x, y) significa: ∃y ∀x, ¬p(x, y). In questo caso p(x, y) è la proposizione x ∈ A ∩ B(x̄, δ) \ {x̄} =⇒ f (x) ∈ B(L, ε). In logica abbiamo visto che il connettore p =⇒ q è equivalente ai connettori ¬p vel q. Negare quest’ultimo, per le leggi di De Morgan, significa quindi affermare che deve essere vera la proposizione p e ¬q. Mettendo insieme tutto questo, far vedere che lim f (x) 6= L x→x̄ è equivalente a far vedere che ∃B(L)∀B(x̄) ∃x ∈ A ∩ B(δ) \ {x̄} e f (x) ∈ / B(L). Limiti di funzioni e limiti di successioni. È possibile dimostrare un teorema che collega i limiti di successioni ai limiti di funzioni. Sia f : A ⊆ R → R e sia c un punto di accumulazione di A. Sia inoltre g(n) = xn ∈ A una qualunque successione tale che limn→+∞ g(n) = limn→+∞ xn = c. Possiamo allora calcolare limn→+∞ f (xn ) Utilizzando il Teorema sul limite di funzione composta (cfr. Canuto-Tabacco), si dimostra che: Teorema. Sia f : A ⊆ R → R e sia c un punto di accumulazione di A. Allora: ∃ lim f (x) = L x→c se e solo se, per ogni successione g(n) = xn ∈ A tale che limn→+∞ g(n) = limn→+∞ xn = c: lim f (xn ) = L. n→+∞ Questo teorema risulta spesso utile per dimostrare che una funzione non ha limite per x → c. Corollario. Sia f : A ⊆ R → R e sia c un punto di accumulazione di A. Se esistono due successioni g(n) = xn ∈ A e h(n) = yn ∈ A tali che limn→+∞ xn = limn→+∞ yn = c e tali che lim f (xn ) 6= lim f (yn ) n→+∞ n→+∞ =⇒ f non ha limite per x → c. Dim. Se f avesse limite, per il Teorema precedente dovremmo avere che limn→+∞ f (xn ) = limn→+∞ f (yn ), contro le ipotesi del Corollario. 6 Limite di funzione composta. Enunciamo i due teoremi sui limiti di funzione composta (per la dimostrazione del primo, vedi Canuto - Tabacco). Teorema 1. Siano f : A ⊆ R → R e g : B ⊆ R → R due funzioni. Sia inoltre c un punto di accumulazione di A = dom f e sia limx→c f (x) = l ∈ B = dom g. =⇒ esiste limx→c g ◦ f (x) = g(l). Teorema 2. Siano f : A ⊆ R → R e g : B ⊆ R → R due funzioni tali che f (A) = B. • Sia c un punto di accumulazione di A = dom f e sia limx→c f (x) = l. • Esiste B(c) tale che per ogni x ∈ B(c) ∩ A, f (x) 6= l. • Sia l un punto di accumulazione di B = dom g e sia limy→l g(y) = m. =⇒ esiste limx→c g ◦ f (x) = g(l) = limy→l g(y) = m. La dimostrazione del secondo teorema segue la linea della dimostrazione del teorema precedente. Nell’esempio seguente, vediamo che, se non chiediamo che f (x) 6= l nei punti di A ∩ B(c), il Teorema non è valido. Esempio. Siano f (x) = 0 g(y) = 1 y 6= 0 y=0 =⇒ g ◦ f (x) = g(0) = 0, ∀x ∈ R. Dunque, lim g ◦ f (x) = 0. x→0 D’altra parte, limy→0 g(y) = 1. Se potessimo applicare il Teorema 2, dovremmo avere che limx→0 g ◦ f (x) = limy→0 g(y) = 1, mentre abbiamo visto dal calcolo diretto che questo limite è uguale a 0. 7