Forma indeterminada

En matemàtiques, s'anomena forma indeterminada a cadascuna de les expressions algebraiques següents que s'obtenen en el càlcul de límits:

0 0 0 1 0 0 0 + {\displaystyle {\frac {0}{0}}\qquad {\frac {\infty }{\infty }}\qquad 0\cdot \infty \qquad 1^{\infty }\qquad 0^{0}\qquad \infty ^{0}\qquad +\infty -\infty }

Dues funcions que presenten la mateixa indeterminació poden tenir límits distints. Els mètodes freqüents per evitar les indeterminacions són la regla de L'Hôpital, el teorema del sandvitx i l'aplicació de logaritmes.

Exemple

La indeterminació 0 / 0 {\displaystyle 0/0} apareix als següents límits:

lim x 1 x 2 1 ln ( x ) = 0 0 lim x 1 x 1 ln ( x ) = 0 0 {\displaystyle \lim _{x\to 1}{\frac {x^{2}-1}{\ln(x)}}={\frac {0}{0}}\qquad \lim _{x\to 1}{\frac {x-1}{\ln(x)}}={\frac {0}{0}}}

Però, aplicant la Regla de L'Hôpital, els límits d'aquestes funcions són distints:[1]

lim x 1 x 2 1 ln ( x ) = 2 lim x 1 x 1 ln ( x ) = 1 {\displaystyle \lim _{x\to 1}{\frac {x^{2}-1}{\ln(x)}}=2\qquad \lim _{x\to 1}{\frac {x-1}{\ln(x)}}=1}

Indeterminació 1 {\displaystyle 1^{\infty }}

Existeix una fórmula per evitar la indeterminació 1 {\displaystyle 1^{\infty }} . Siguin f {\displaystyle f} i g {\displaystyle g} dues funcions amb límits 1 {\displaystyle 1} i {\displaystyle \infty } quan x a {\displaystyle x\to a} (sent a R { ± } {\displaystyle a\in \mathbb {R} \cup \{\pm \infty \}} ), aleshores

lim x a f ( x ) g ( x ) = 1 {\displaystyle \lim _{x\to a}f(x)^{g(x)}=1^{\infty }}

En aquest cas,

lim x a f ( x ) g ( x ) = lim x a e g ( x ) ( f ( x ) 1 ) {\displaystyle \lim _{x\to a}f(x)^{g(x)}=\lim _{x\to a}e^{g(x)\cdot (f(x)-1)}}

Per exemple,

lim x + ( 1 + 1 2 x ) x = 1 + {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }\left(1+{\frac {1}{2^{x}}}\right)^{x}=1^{+\infty }}

Aplicant la fórmula,

lim x + ( 1 + 1 2 x ) x = lim x + e x 2 x = e 0 = 1 {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }\left(1+{\frac {1}{2^{x}}}\right)^{x}=\lim _{x\to +\infty }e^{\frac {x}{2^{x}}}=e^{0}=1}

Indeterminació / {\displaystyle \infty /\infty }

  • Comparació de funcions: en els quocients de funcions que tendeixen a infinit, es pot predir el resultat del límit comparant el creixement de les funcions (en realitat, el que es compara és el grau dels infinits).[2] Per exemple,

lim x + x e x = + + {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }{\frac {x}{e^{x}}}={\frac {+\infty }{+\infty }}}

Com que la funció exponencial creix més ràpid que un monomi, l'infinit del denominador és major, per la qual cosa el límit és 0:

lim x + x e x = 0 {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }{\frac {x}{e^{x}}}=0}

Si és major el creixement del numerador, el límit és infinit, per exemple:

lim x + x ln ( x ) = + {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }{\frac {x}{\ln(x)}}=+\infty }

  • Quocient de polinomis: quan x {\displaystyle x\to \infty } , apareix la indeterminació / {\displaystyle \infty /\infty } en el límit dels quocients de polinomis. Es pot predir el límit comparant els graus dels polinomis: Siguin P ( x ) {\displaystyle P(x)} i Q ( x ) {\displaystyle Q(x)} dos polinomis amb graus δ P {\displaystyle \delta P} i δ Q {\displaystyle \delta Q} , respectivament, aleshores:[3]

lim x + P ( x ) Q ( x ) = { 0  si  δ Q > δ P p / q  si  δ P = δ Q ±  si  δ P > δ Q {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }{\frac {P(x)}{Q(x)}}={\begin{cases}0{\text{ si }}\delta Q>\delta P\\p/q{\text{ si }}\delta P=\delta Q\\\pm \infty {\text{ si }}\delta P>\delta Q\\\end{cases}}}

sent p {\displaystyle p} i q {\displaystyle q} els coeficients principals del polinomis P ( x ) {\displaystyle P(x)} i Q ( x ) {\displaystyle Q(x)} , respectivament.

En el tercer cas, δ P > δ Q {\displaystyle \delta P>\delta Q} , el signe de l'infinit és s i g n e ( p / q ) {\displaystyle signe(p/q)} .

En el cas x {\displaystyle x\to -\infty } , es procedeix de manera semblant.

Indeterminació {\displaystyle \infty -\infty }

Aquesta indeterminació es pot evitar, normalment, operant al límit. Per exemple,

lim x 0 1 x 1 + x x 2 = ± {\displaystyle \lim _{x\to 0}{\frac {1}{x}}-{\frac {1+x}{x^{2}}}=\pm \infty -\infty }

Però,

lim x 0 1 x 1 + x x 2 = lim x 0 1 x 2 = {\displaystyle \lim _{x\to 0}{\frac {1}{x}}-{\frac {1+x}{x^{2}}}=\lim _{x\to 0}-{\frac {1}{x^{2}}}=-\infty }

Indeterminació 0 {\displaystyle \infty ^{0}}

Aquesta indeterminació es sol evitar aplicant les propietats dels logaritmes.[2]

Per exemple,

lim x + x 1 x = lim x + e ln ( x ) x = e 0 = 1 {\displaystyle \lim _{x\to +\infty }x^{\frac {1}{x}}=\lim _{x\to +\infty }e^{\frac {\ln(x)}{x}}=e^{0}=1}

Taula de formes indeterminades

La següent taula conté les formes indeterminades i les transformacions necessàries per poder aplicar la regla de L'Hôpital.

Forma indeterminada Condicions Transformació a 0/0 Transformació a ∞/∞
0 0 {\displaystyle \qquad {\frac {0}{0}}} lim x c f ( x ) = 0 ,   lim x c g ( x ) = 0 {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0,\ \lim _{x\to c}g(x)=0\!}
lim x c f ( x ) g ( x ) = lim x c 1 / g ( x ) 1 / f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)}{1/f(x)}}\!}
{\displaystyle \qquad {\frac {\infty }{\infty }}} lim x c f ( x ) = ,   lim x c g ( x ) = {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!} lim x c f ( x ) g ( x ) = lim x c 1 / g ( x ) 1 / f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)}{1/f(x)}}\!}
0 {\displaystyle \qquad 0\cdot \infty } lim x c f ( x ) = 0 ,   lim x c g ( x ) = {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!} lim x c f ( x ) g ( x ) = lim x c f ( x ) 1 / g ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)g(x)=\lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{1/g(x)}}\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = lim x c g ( x ) 1 / f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)g(x)=\lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/f(x)}}\!}
1 {\displaystyle \qquad 1^{\infty }} lim x c f ( x ) = 1 ,   lim x c g ( x ) = {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=1,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c ln f ( x ) 1 / g ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c g ( x ) 1 / ln f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!}
0 0 {\displaystyle \qquad 0^{0}} lim x c f ( x ) = 0 + , lim x c g ( x ) = 0 {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0^{+},\lim _{x\to c}g(x)=0\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c g ( x ) 1 / ln f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c ln f ( x ) 1 / g ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!}
0 {\displaystyle \qquad \infty ^{0}} lim x c f ( x ) = ,   lim x c g ( x ) = 0 {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=0\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c g ( x ) 1 / ln f ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!} lim x c f ( x ) g ( x ) = exp lim x c ln f ( x ) 1 / g ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!}
{\displaystyle \qquad \infty -\infty } lim x c f ( x ) = ,   lim x c g ( x ) = {\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!} lim x c ( f ( x ) g ( x ) ) = lim x c 1 / g ( x ) 1 / f ( x ) 1 / ( f ( x ) g ( x ) ) {\displaystyle \lim _{x\to c}(f(x)-g(x))=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)-1/f(x)}{1/(f(x)g(x))}}\!} lim x c ( f ( x ) g ( x ) ) = ln lim x c e f ( x ) e g ( x ) {\displaystyle \lim _{x\to c}(f(x)-g(x))=\ln \lim _{x\to c}{\frac {e^{f(x)}}{e^{g(x)}}}\!}

Vegeu també

Referències

  1. Llopis, José L. «Indeterminación o forma indeterminada» (en castellà). Matesfacil. ISSN: 2659-8442 [Consulta: 14 juny 2019].
  2. 2,0 2,1 «Cálculo de límites» (en castellà). PyE. [Consulta: 14 juny 2019].
  3. Llopis, José L. «Indeterminación infinito partido infinito» (en castellà). Matesfacil. ISSN: 2659-8442 [Consulta: 14 juny 2019].