Parte 1 · L'intuizione

Il concetto di limite

Cosa succede a una funzione quando \(x\) si avvicina sempre di più a un valore… senza mai raggiungerlo?

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Un problema: cosa succede in \(x=1\)?

Consideriamo la funzione

\[f(x)=\frac{x^2-1}{x-1}\]

Proviamo a calcolare \(f(1)\):

\[f(1)=\frac{1^2-1}{1-1}=\frac{0}{0}\]

\(\frac{0}{0}\) non ha significato: la funzione non è definita in \(x=1\).

Però possiamo chiederci: che valori assume \(f(x)\) quando \(x\) è molto vicino a 1?

Da sinistra (x < 1)

xf(x)

Da destra (x > 1)

xf(x)

Sia da sinistra sia da destra, più \(x\) si avvicina a 1, più \(f(x)\) si avvicina a 2.

Muovi tu il punto

Trascina il punto arancione sul grafico (o tocca un punto qualsiasi del grafico) e avvicinalo a \(x=1\).

Il grafico ha un buco nel punto \((1;\,2)\): la funzione lì non esiste…

…ma possiamo rendere \(f(x)\) vicino quanto vogliamo a 2, scegliendo \(x\) abbastanza vicino a 1.

\[\lim_{x\to 1}\frac{x^2-1}{x-1}=2\]

Come si legge

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

«il limite per \(x\) che tende a \(c\) di \(f(x)\) è \(L\)»

\(x\to c\)

\(x\) si avvicina sempre di più a \(c\), da sinistra e da destra, ma non è mai uguale a \(c\).

\(f(x)\to L\)

I valori della funzione si avvicinano sempre di più al numero \(L\).

Il punto chiave

Il limite descrive cosa succede vicino a \(c\), non in \(c\). Il valore \(f(c)\) non conta (e può anche non esistere).

Il limite non è il valore della funzione

Osserva questi tre grafici vicino a \(x=1\). In quale caso il limite per \(x\to 1\) vale 2?

A · \(f(1)=2\)
B · \(f(1)\) non esiste
C · \(f(1)=3{,}5\)

In tutti e tre! Vicino a \(x=1\) i tre grafici sono identici: cambia solo cosa succede esattamente in \(x=1\), e al limite non interessa.

Da sinistra e da destra

Questa funzione fa un salto in \(x=1\):

\[f(x)=\begin{cases}x+1 & x\lt 1\\ x+2 & x\ge 1\end{cases}\]
\[\lim_{x\to 1^-}f(x)=2\qquad \lim_{x\to 1^+}f(x)=3\]

\(1^-\) = «da sinistra» (valori minori di 1), \(1^+\) = «da destra» (valori maggiori di 1).

I due valori sono diversi: il limite per \(x\to 1\) non esiste. Il limite esiste solo se limite sinistro e limite destro sono uguali.

Quando la funzione «esplode»

\[f(x)=\frac{1}{(x-1)^2}\]

Avvicina il punto a \(x=1\): cosa succede ai valori di \(f(x)\)?

\(f(x)\) diventa più grande di qualsiasi numero: 100, 10 000, un milione…

\[\lim_{x\to 1}\frac{1}{(x-1)^2}=+\infty\]

La retta \(x=1\) è un asintoto verticale: il grafico le si avvicina senza mai toccarla.

E se è \(x\) ad andare all'infinito?

\[f(x)=\frac{2x+1}{x+3}\]
xf(x)
\[\lim_{x\to+\infty}\frac{2x+1}{x+3}=2\]

La retta \(y=2\) è un asintoto orizzontale.

I quattro casi

\(x\) può tendere a un numero o all'infinito; anche \(f(x)\) può tendere a un numero o all'infinito.

\(\lim\limits_{x\to c}f(x)=L\) · limite finito in un punto
\(\lim\limits_{x\to c}f(x)=\infty\) · asintoto verticale
\(\lim\limits_{x\to \infty}f(x)=L\) · asintoto orizzontale
\(\lim\limits_{x\to \infty}f(x)=\infty\)

Un limite nella realtà: la velocità istantanea

Un sasso cade: dopo \(t\) secondi ha percorso \(s(t)=5t^2\) metri. Quanto va veloce esattamente a \(t=2\)?

Possiamo calcolare solo la velocità media tra \(t=2\) e \(t=2+h\):

\[v_{media}=\frac{s(2+h)-s(2)}{h}\]

Rendendo \(h\) sempre più piccolo, la velocità media si avvicina a 20 m/s e la retta arancione diventa la tangente.

\[v(2)=\lim_{h\to 0}\frac{s(2+h)-s(2)}{h}=20\ \text{m/s}\]

Riepilogo

«Vicino», «abbastanza», «quanto vogliamo» sono parole vaghe. Nella prossima parte le trasformeremo in numeri, per avere una definizione precisa.