Intorni e punti fondamentali

Gli intorni sono fondamentali per lo studio dei limiti. Un intorno completo di un punto x₀ è un intervallo aperto che contiene x₀, ossia I(x₀) = ]x₀-δ; x₀+δ[ con δ>0. Questo intervallo circonda x₀ in modo simmetrico.

Quando studiamo un insieme di numeri reali, dobbiamo distinguere tra i punti isolati e i punti di accumulazione. Un punto isolato è un punto di un insieme A per cui esiste un intorno che non contiene altri punti di A oltre al punto stesso.

⚠️ Per poter parlare di limiti, è essenziale identificare correttamente i punti di accumulazione, poiché solo in questi punti ha senso calcolare il limite di una funzione!

Importante è anche il concetto di estremo superiore e estremo inferiore di un insieme. Per un insieme E⊆ℝ non vuoto e limitato, l'estremo superiore è quel numero reale che rappresenta il "confine superiore" dell'insieme, mentre l'estremo inferiore ne costituisce il "confine inferiore". Entrambi esistono sempre ed in maniera unica.

Definizione di limite e funzioni continue

Un punto di accumulazione x₀ di un insieme A è un punto tale che ogni intorno di x₀ contiene infiniti punti di A. Questo concetto è cruciale perché i limiti si studiano solo nei punti di accumulazione.

Il limite di una funzione f(x) per x che tende a x₀ è quel valore l a cui f(x) si avvicina quando x si avvicina a x₀. Formalmente scriviamo:

lim₍ₓ→ₓ₀₎ f(x) = l se ∀ε>0 ∃I(x₀): |f(x) - l| < ε con ∀x∈I(x₀), x≠x₀

Questo significa che possiamo rendere la distanza tra f(x) e l piccola quanto vogliamo, scegliendo x sufficientemente vicino a x₀.

💡 Un trucco per ricordare la definizione: il limite è l quando, scelto un margine di errore ε, possiamo trovare un intorno di x₀ in cui tutti i valori della funzione sono compresi tra l-ε e l+ε.

Una funzione può anche tendere a +∞ $o -∞$ quando x tende a x₀. In questo caso, per ogni valore M positivo possiamo trovare un intorno di x₀ in cui f(x) > M $o f(x) < -M$. Quando questo accade, diciamo che la retta x = x₀ è un asintoto verticale per il grafico della funzione.

Asintoti e comportamento all'infinito

Gli asintoti sono rette che descrivono il comportamento di una funzione quando si avvicina a certi punti o quando la x cresce (o decresce) indefinitamente. Esistono:

• Asintoti verticali: la retta x = x₀ è asintoto verticale quando almeno uno dei limiti destri o sinistri tende a ±∞
• Asintoti orizzontali: la retta y = l è asintoto orizzontale quando lim₍ₓ→±∞₎ f(x) = l

Il limite di una funzione per x che tende a ±∞ descrive il comportamento della funzione quando x cresce o decresce indefinitamente. Si scrive:

lim₍ₓ→+∞₎ f(x) = l o lim₍ₓ→-∞₎ f(x) = l

🔍 Quando studi i limiti all'infinito, ricorda di osservare i termini di grado più alto in numeratore e denominatore, in quanto saranno questi a determinare il comportamento finale!

Anche all'infinito possiamo avere limiti infiniti. Per esempio, una funzione f(x) tende a +∞ per x che tende a +∞ quando per ogni valore M positivo esiste un intorno di +∞ in cui f(x) > M. In simboli:

lim₍ₓ→+∞₎ f(x) = +∞ se ∀M>0 ∃I di +∞: f(x) > M con ∀x∈I

Teoremi sui limiti e casi particolari

I teoremi sui limiti ci permettono di semplificare il calcolo e comprendere meglio le proprietà delle funzioni. Tra i più importanti:

• Teorema di unicità: se il limite di una funzione esiste, allora è unico
• Teorema della permanenza del segno: se il limite di una funzione è l≠0, allora esiste un intorno di x₀ in cui f(x) ha lo stesso segno di l
• Teorema del confronto: se h(x) ≤ f(x) ≤ g(x) e lim h(x) = lim g(x) = l, allora anche lim f(x) = l

Questi teoremi sono strumenti potenti per risolvere limiti complessi senza dover ricorrere sempre alla definizione formale.

💪 I teoremi sui limiti sono i tuoi migliori alleati nei calcoli! Imparali bene e risolverai molti limiti quasi a vista.

Caso particolare è il limite delle funzioni elementari. Per esempio, per le funzioni di potenza x^n:

• Se n è pari: lim₍ₓ→+∞₎ x^n = +∞ e lim₍ₓ→-∞₎ x^n = +∞
• Se n è dispari: lim₍ₓ→+∞₎ x^n = +∞ e lim₍ₓ→-∞₎ x^n = -∞

Conoscere questi limiti fondamentali ti permette di calcolare limiti più complessi applicando le operazioni sui limiti.

Funzioni elementari e loro limiti

Le funzioni elementari hanno comportamenti caratteristici all'infinito e in prossimità di punti particolari. Impararli bene ti permetterà di risolvere velocemente molti limiti.

Per le funzioni radice √ⁿx:

• Se n è pari: lim₍ₓ→0⁺₎ √ⁿx = 0 e lim₍ₓ→+∞₎ √ⁿx = +∞
• Se n è dispari: lim₍ₓ→-∞₎ √ⁿx = -∞ e lim₍ₓ→+∞₎ √ⁿx = +∞

Per le funzioni esponenziali aˣ:

• Se a > 1: lim₍ₓ→-∞₎ aˣ = 0 e lim₍ₓ→+∞₎ aˣ = +∞
• Se 0 < a < 1: lim₍ₓ→-∞₎ aˣ = +∞ e lim₍ₓ→+∞₎ aˣ = 0

Per le funzioni logaritmiche log_a x:

• Se a > 1: lim₍ₓ→0⁺₎ log_a x = -∞ e lim₍ₓ→+∞₎ log_a x = +∞
• Se 0 < a < 1: lim₍ₓ→0⁺₎ log_a x = +∞ e lim₍ₓ→+∞₎ log_a x = -∞

📌 Il comportamento di funzioni esponenziali e logaritmiche è fondamentale! Queste funzioni crescono/decrescono in modo molto diverso dalle funzioni polinomiali.

Il teorema del confronto è particolarmente utile per stabilire il limite di funzioni complesse confrontandole con funzioni più semplici di cui conosciamo già il limite.

Operazioni sui limiti

Le operazioni sui limiti ci permettono di calcolare limiti complessi scomponendoli in limiti più semplici. Se lim f(x) = l e lim g(x) = m:

1. Somma: lim $f(x) + g(x)$ = l + m

   • Attenzione alla forma indeterminata +∞ - ∞

2. Prodotto: lim $f(x) · g(x)$ = l · m

   • Attenzione alla forma indeterminata 0 · ∞

3. Quoziente: lim $f(x)/g(x)$ = l/m (con m≠0)

   • Attenzione alle forme indeterminate 0/0 e ∞/∞

4. Potenza: lim $f(x)$^n = l^n

   • Per potenze con esponente variabile, lim $f(x)$^g(x) = l^m

🧠 Quando hai un limite nella forma indeterminata ∞/∞, cerca di dividere numeratore e denominatore per la variabile con l'esponente più alto!

Per le potenze di funzioni $f(x)$^n, i limiti cambiano in base al valore di f(x):

• Se f(x) → +∞ e n > 0, allora $f(x)$^n → +∞
• Se f(x) → +∞ e n < 0, allora $f(x)$^n → 0⁺

Le funzioni composte seguono la regola: se lim₍ₓ→a₎ g(x) = z₀ e f è continua in z₀, allora lim₍ₓ→a₎ f(g(x)) = f(z₀).

Forme indeterminate e tecniche di risoluzione

Le forme indeterminate sono situazioni in cui non possiamo determinare immediatamente il limite usando le regole standard. Le principali sono:

• +∞ - ∞: raccogliere il termine massimo
• ∞/∞: considerare gli esponenti più alti in numeratore e denominatore
• 0/0: analizzare i gradi massimi o fattorizzare
• 0 · ∞: trasformare in una forma più maneggevole (ad es. usando frazioni)
• 1^∞, 0^0, ∞^0: usare logaritmi e proprietà delle potenze

Per risolvere le forme indeterminate, esistono diverse tecniche:

• Raccoglimento di fattori
• Scomposizione in fattori
• Razionalizzazione
• Utilizzo di limiti notevoli
• Regola di De L'Hôpital (derivate)

💯 Un consiglio pratico: quando hai una forma indeterminata 0/0 o ∞/∞ con polinomi, dividi numeratore e denominatore per la x con l'esponente più alto!

Il limite di quoziente è particolarmente importante: se lim f(x) = ∞ e lim g(x) = 0⁺, allora lim $f(x)/g(x)$ = +∞. Analogamente, se g(x) = 0⁻, il limite sarà -∞.

Per limiti di funzioni elevate a funzione $f(x)$^g(x), il comportamento dipende dai valori limite di f(x) e g(x), con casi particolari che richiedono l'uso di logaritmi.