Parte 2 · Le definizioni

Dalle parole ai numeri

«\(f(x)\) si avvicina a \(L\) quando \(x\) si avvicina a \(c\)»: cosa vuol dire esattamente «avvicinarsi»?

Misuriamo la vicinanza con le distanze: la distanza tra due numeri \(a\) e \(b\) è \(|a-b|\).

  • \(|x-c|\) piccola \(\;\Rightarrow\;\) \(x\) è vicino a \(c\)
  • \(|f(x)-L|\) piccola \(\;\Rightarrow\;\) \(f(x)\) è vicino a \(L\)

Gli intorni

Dato un numero \(c\) e un numero \(\delta\gt 0\), si chiama intorno di \(c\) di raggio \(\delta\) l'intervallo aperto

\[I_\delta(c)=(c-\delta;\;c+\delta)=\{x\in\mathbb R : |x-c|\lt\delta\}\]
Intorno sinistro \((c-\delta;\;c)\) e intorno destro \((c;\;c+\delta)\).
Intorno di \(+\infty\): \((N;\,+\infty)\). Intorno di \(-\infty\): \((-\infty;\,-N)\).

Dove ha senso calcolare un limite?

\(c\) è un punto di accumulazione per l'insieme \(D\) se in ogni intorno di \(c\) cadono punti di \(D\) diversi da \(c\).

In parole povere: ci si può avvicinare a \(c\) quanto si vuole restando dentro il dominio.

Sì

\(f(x)=\dfrac{x^2-1}{x-1}\), dominio \(D=\mathbb R\setminus\{1\}\).

1 non sta nel dominio, ma è punto di accumulazione: possiamo calcolare il limite per \(x\to 1\).

No

\(f(x)=\sqrt{x}\), dominio \(D=[0;+\infty)\).

\(-3\) non è punto di accumulazione (vicino a \(-3\) non ci sono punti del dominio): non ha senso il limite per \(x\to -3\).

La definizione di limite

Si dice che \(\displaystyle\lim_{x\to c}f(x)=L\) se

\[\forall\,\varepsilon\gt 0\ \ \exists\,\delta\gt 0 \ :\ \forall x\in D,\ \ 0\lt|x-c|\lt\delta\ \Rightarrow\ |f(x)-L|\lt\varepsilon\]

\(\forall\,\varepsilon\gt 0\)

«per ogni tolleranza \(\varepsilon\)», piccola quanto si vuole, sulla distanza tra \(f(x)\) e \(L\)…

\(\exists\,\delta\gt 0\)

…esiste una distanza \(\delta\) da \(c\)…

\(0\lt|x-c|\lt\delta\Rightarrow|f(x)-L|\lt\varepsilon\)

…tale che tutti gli \(x\) vicini a \(c\) meno di \(\delta\) (escluso \(c\) stesso) hanno \(f(x)\) vicino a \(L\) meno di \(\varepsilon\).

Lo sfidante sceglie \(\varepsilon\) (sempre più piccolo). Tu devi rispondere con un \(\delta\) che funziona. Se riesci a rispondere a ogni sfida, il limite è \(L\).

Gioca con \(\varepsilon\) e \(\delta\)

\(f(x)=\dfrac{x^2}{2}\), \(\;c=2\), \(\;L=2\).

Fascia verde: valori con \(|f(x)-L|\lt\varepsilon\). Fascia blu: \(x\) con \(|x-c|\lt\delta\).

Qualunque \(\varepsilon\) scegliamo, riusciamo a trovare un \(\delta\): quindi \(\displaystyle\lim_{x\to 2}\frac{x^2}{2}=2\).

Limite sinistro e limite destro

\[\lim_{x\to c^-}f(x)=L\]

se \(\forall\varepsilon\gt0\ \exists\delta\gt0\): \(\;c-\delta\lt x\lt c\ \Rightarrow\ |f(x)-L|\lt\varepsilon\)

\[\lim_{x\to c^+}f(x)=L\]

se \(\forall\varepsilon\gt0\ \exists\delta\gt0\): \(\;c\lt x\lt c+\delta\ \Rightarrow\ |f(x)-L|\lt\varepsilon\)

\[\lim_{x\to c}f(x)=L\quad\Longleftrightarrow\quad \lim_{x\to c^-}f(x)=\lim_{x\to c^+}f(x)=L\]

Si usano soprattutto per le funzioni definite a tratti e vicino agli asintoti verticali.

Limite infinito per \(x\to c\)

\(\displaystyle\lim_{x\to c}f(x)=+\infty\) se

\[\begin{gathered}\forall M\gt 0\ \ \exists\delta\gt 0 :\\ 0\lt|x-c|\lt\delta\Rightarrow f(x)\gt M\end{gathered}\]

Comunque scelgo una «quota» \(M\), vicino a \(c\) il grafico sta tutto sopra. Per \(-\infty\): \(f(x)\lt -M\).

Esempio: \(f(x)=\dfrac1{(x-1)^2}\), \(c=1\).

Limite finito per \(x\to\pm\infty\)

\(\displaystyle\lim_{x\to +\infty}f(x)=L\) se

\[\begin{gathered}\forall\varepsilon\gt 0\ \ \exists N\gt 0 :\\ x\gt N\Rightarrow |f(x)-L|\lt\varepsilon\end{gathered}\]

Da un certo punto \(N\) in poi, il grafico resta dentro la fascia. Per \(-\infty\): \(x\lt -N\).

Esempio: \(f(x)=\dfrac{2x+1}{x+3}\), \(L=2\).

Limite infinito per \(x\to\pm\infty\)

\(\displaystyle\lim_{x\to +\infty}f(x)=+\infty\) se

\[\forall M\gt 0\ \exists N\gt 0 : x\gt N\Rightarrow f(x)\gt M\]

Comunque alta sia la quota \(M\), da un certo \(N\) in poi la funzione la supera.

\(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}x^2=+\infty\): dato \(M\), basta prendere \(N=\sqrt M\). Infatti se \(x\gt\sqrt M\) allora \(x^2\gt M\).

Le quattro definizioni a confronto

LimitePer ogni…esiste…tale che
\(\lim\limits_{x\to c}f(x)=L\)\(\varepsilon\gt0\)\(\delta\gt0\)\(0\lt|x-c|\lt\delta\Rightarrow|f(x)-L|\lt\varepsilon\)
\(\lim\limits_{x\to c}f(x)=+\infty\)\(M\gt0\)\(\delta\gt0\)\(0\lt|x-c|\lt\delta\Rightarrow f(x)\gt M\)
\(\lim\limits_{x\to +\infty}f(x)=L\)\(\varepsilon\gt0\)\(N\gt0\)\(x\gt N\Rightarrow|f(x)-L|\lt\varepsilon\)
\(\lim\limits_{x\to +\infty}f(x)=+\infty\)\(M\gt0\)\(N\gt0\)\(x\gt N\Rightarrow f(x)\gt M\)
  • Se \(f(x)\to L\) uso \(\varepsilon\) (fascia attorno a \(L\)); se \(f(x)\to\infty\) uso \(M\) (quota).
  • Se \(x\to c\) uso \(\delta\) (intorno di \(c\)); se \(x\to\infty\) uso \(N\) («da \(N\) in poi»).

Tre teoremi importanti

Se il limite esiste, è unico: una funzione non può tendere a due valori diversi.

Se \(\lim\limits_{x\to c}f(x)=L\gt0\), allora \(f(x)\gt0\) in tutto un intorno di \(c\) (escluso al più \(c\)).

Se \(g(x)\le f(x)\le h(x)\) vicino a \(c\) e \(\lim\limits_{x\to c}g(x)=\lim\limits_{x\to c}h(x)=L\), allora anche \(\lim\limits_{x\to c}f(x)=L\).

\(-x^2\le x^2\sin\frac1x\le x^2\): i due «carabinieri» portano \(f\) a 0.

Funzioni continue

Una funzione \(f\) è continua in \(c\) (punto del dominio) se

\[\lim_{x\to c}f(x)=f(c)\]

Servono tre cose: \(f(c)\) esiste, il limite esiste, e sono uguali. Intuitivamente: il grafico si disegna «senza staccare la penna».

Polinomi, radici, funzioni razionali, esponenziali, logaritmi, seno e coseno sono continue nel loro dominio. Per loro il limite si calcola sostituendo:

\[\lim_{x\to 2}(x^2+3x)=4+6=10\]

Verificare un limite con la definizione

Verifichiamo che \(\displaystyle\lim_{x\to 2}(3x-1)=5\).

  1. Fissiamo un \(\varepsilon\gt0\) qualsiasi e scriviamo la condizione \(|f(x)-L|\lt\varepsilon\): \[|(3x-1)-5|\lt\varepsilon\]
  2. Semplifichiamo: \[|3x-6|\lt\varepsilon\iff 3|x-2|\lt\varepsilon\iff |x-2|\lt\frac{\varepsilon}{3}\]
  3. La disequazione è verificata in un intorno di 2 di raggio \(\frac\varepsilon3\): basta scegliere \[\delta=\frac{\varepsilon}{3}\]
  4. Poiché per ogni \(\varepsilon\) abbiamo trovato \(\delta\), il limite è verificato. ✓

La definizione serve a verificare un limite già noto, non a calcolarlo. Per calcolare useremo le regole della Parte 3.

Riepilogo