MathMaroc Apprendre, Comprendre, Réussir
Límites y Continuidad de una Función Numérica — 2.º Bachillerato CF / CVT - 6 sections
🎲 Parcours interactifmathematiques2bac

Límites y Continuidad de una Función Numérica — 2.º Bachillerato CF / CVT

Curso interactivo en español sobre límites y continuidad: límites en un punto y en el infinito, formas indeterminadas, límite de una compuesta, comparación y acotación, continuidad, prolongación por continuidad, teorema de los valores intermedios, bisección, función inversa, raíces n-ésimas y potencias racionales.

👨‍🏫

Mohamed Lagzouli

Créateur de ce parcours interactif.

Nivel2bac Itinerariopc_svt MóduloAnalyse

Página de inicio

Bienvenido a este curso

Este curso cubre el primer capítulo del programa de segundo de bachillerato, Ciencias Físicas y Ciencias de la Vida y de la Tierra. Está concebido para seguirse en orden: cada resultado de la Parte C se apoya en las Partes A y B.

Cómo trabajar este curso

  • Lee una idea y trabaja su ejemplo antes de pasar a la siguiente.
  • Busca cada respuesta antes de revelarla — ahí es donde se aprende.
  • Vuelve al Curso esencial en cuanto un ejercicio se te resista.

Diagnóstico: ¿dónde estás?

Nueve preguntas sobre los conocimientos previos. Responde primero, revela después. Si tres o más respuestas se te escapan, repasa los límites de primero antes de empezar la Parte A.

1. Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 2} (x^2 - 3x + 1)\).

Ver la respuesta

2. Sea \(f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{x - 1}\). Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 1} f(x)\).

Ver la respuesta

3. ¿Cuánto vale \(\displaystyle\lim_{x \to 0^+} \dfrac{1}{x}\)? ¿Y \(\displaystyle\lim_{x \to 0^-} \dfrac{1}{x}\)?

Ver la respuesta

4. Indica el dominio de definición de \(g(x) = \sqrt{x - 3}\).

Ver la respuesta

5. ¿Puede una función estrictamente creciente en \([a;b]\) tomar dos veces el mismo valor?

Ver la respuesta

6. Traduce: «la curva de \(f\) puede trazarse sin levantar el lápiz en \([0;1]\)».

Ver la respuesta

Objetivo del capítulo. Pasar de «la curva parece continua» a «demuestro que \(f\) es continua, y de ahí concluyo».

Pregunta 7. Verdadero o falso: si \(\displaystyle\lim_{x \to 1^{-}} f(x) = -1\) y \(\displaystyle\lim_{x \to 1^{+}} f(x) = 1\), entonces \(f\) tiene límite en \(1\).

Ver la respuesta

Pregunta 8. ¿Cuánto vale \(\infty - \infty\)?

Ver la respuesta

Pregunta 9. La función \(x \mapsto \sin x\) está acotada. ¿Tiene límite en \(+\infty\)?

Ver la respuesta

Vista previa gratuita

Aquí tienes la idea central del capítulo y su aplicación más útil. El curso completo desarrolla cada punto con sus propios ejemplos.

Continuidad en un punto. Sea \(f\) definida en un intervalo \(I\) y sea \(a \in I\). Decimos que \(f\) es continua en \(a\) cuando

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

Se cumplen así tres condiciones a la vez: \(f(a)\) existe, el límite existe, y ambos coinciden. Si una de ellas falla, \(f\) no es continua en \(a\).

Ejemplo. Sea \(f(x) = \dfrac{x^2 - 4}{x - 2}\) para \(x \neq 2\) y \(f(2) = 4\). Estudiemos la continuidad en \(2\).

\[ \frac{x^2-4}{x-2} = \frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = x+2 \quad (x \neq 2) \] \[ \lim_{x \to 2} f(x) = 4 = f(2) \]

Por tanto \(f\) es continua en \(2\).

Teorema de los valores intermedios. Si \(f\) es continua en \([a;b]\), entonces para todo número real \(k\) comprendido entre \(f(a)\) y \(f(b)\), la ecuación \(f(x) = k\) admite al menos una solución en \([a;b]\).

Tres preguntas para ponerte a prueba

1. Sea \(f(x) = \dfrac{x^2 - 9}{x - 3}\) para \(x \neq 3\) y \(f(3) = 5\). ¿Es \(f\) continua en \(3\)?

Ver la respuesta

2. \(f\) es continua en \([0;3]\), \(f(0) = -2\) y \(f(3) = 7\). ¿Qué puede afirmarse?

Ver la respuesta

3. ¿Por qué no puede aplicarse el TVI a \(f(x) = \dfrac{1}{x}\) en \([-1;1]\)?

Ver la respuesta

Para recordar. El TVI da la existencia. La unicidad exige un argumento adicional: la monotonía estricta. Es el objeto del corolario, tratado en la Parte C.

Un límite que se calcula tras una transformación

¿Cuánto vale \(\displaystyle\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2}\)?

El cálculo directo da \(\frac{0}{0}\): una forma indeterminada, que no es un resultado sino una señal.

Ver la respuesta

El curso completo trata los límites y después la continuidad, con nueve ejemplos resueltos, doce ejercicios y dos exámenes corregidos.

Curso esencial

Parte A — Límites de una función numérica

L1. Las cuatro situaciones de límite

Límite finito en un punto

Sea \(f\) definida en un intervalo abierto que contiene \(a\), salvo quizá en \(a\). Decimos que \(f\) tiene \(\ell\) por límite en \(a\) cuando los valores \(f(x)\) se vuelven tan próximos a \(\ell\) como se quiera, siempre que \(x\) esté bastante cerca de \(a\).

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

Límite por la derecha y límite por la izquierda

\[ \lim_{x\to a^{+}} f(x) \qquad\text{y}\qquad \lim_{x\to a^{-}} f(x) \]

El límite en \(a\) existe si y solo si estos dos límites existen y son iguales.

Es el error más frecuente del capítulo. Para \(f(x)=\dfrac{|x-1|}{x-1}\), se tiene \(\lim_{x\to 1^{-}}f(x)=-1\) y \(\lim_{x\to 1^{+}}f(x)=1\): los dos límites existen, son distintos, luego \(f\) no tiene límite en \(1\).

Límite infinito en un punto

Decimos que \(f\) tiende a \(+\infty\) cuando \(x\) tiende a \(a\) si \(f(x)\) supera cualquier número fijado de antemano, por grande que sea, siempre que \(x\) esté bastante cerca de \(a\). Se escribe:

\[ \lim_{x\to a} f(x)=+\infty \]

Cuidado con el vocabulario: se dice que el límite es infinito, pero la función no admite entonces ningún límite finito. El infinito no es un número.

Ejemplo 1 — un límite infinito, y el papel del signo

Estudia el comportamiento de \(f(x)=\dfrac{1}{x}\) y después de \(g(x)=\dfrac{1}{x^{2}}\) en \(0\).

Ver la resolución

Límite en el infinito

Se estudia aquí el comportamiento de \(f(x)\) cuando \(x\) se hace muy grande en valor absoluto.

\[ \lim_{x\to +\infty} f(x)=\ell \qquad \lim_{x\to +\infty} f(x)=+\infty \qquad \lim_{x\to -\infty} f(x)=\ell \]

Un límite finito \(\ell\) en \(+\infty\) significa que la curva se acerca indefinidamente a la recta horizontal \(y=\ell\) sin alcanzarla necesariamente.

Límites usuales

Función (\(n\in\mathbb{N}^{*}\))En \(0^{+}\)En \(+\infty\)En \(-\infty\)
\(x^{n}\), \(n\) par\(0\)\(+\infty\)\(+\infty\)
\(x^{n}\), \(n\) impar\(0\)\(+\infty\)\(-\infty\)
\(\dfrac{1}{x^{n}}\)\(+\infty\)\(0\)\(0\)
\(\sqrt{x}\)\(0\)\(+\infty\)no definida

Dos límites trigonométricos que hay que saber:

\[ \lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1 \qquad\text{y}\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1-\cos x}{x^{2}}=\frac{1}{2} \]

L2. Reglas de cálculo

Suma de dos límites

Aquí \(\ell\) y \(\ell'\) designan límites finitos.

\(\lim f\)\(\lim g\)\(\lim (f+g)\)
\(\ell\)\(\ell'\)\(\ell+\ell'\)
\(\ell\)\(\pm\infty\)\(\pm\infty\)
\(+\infty\)\(+\infty\)\(+\infty\)
\(-\infty\)\(-\infty\)\(-\infty\)
\(+\infty\)\(-\infty\)indeterminada

Producto de dos límites

\(\lim f\)\(\lim g\)\(\lim (f\times g)\)
\(\ell\)\(\ell'\)\(\ell\ell'\)
\(\ell>0\)\(+\infty\)\(+\infty\)
\(\ell<0\)\(+\infty\)\(-\infty\)
\(\pm\infty\)\(\pm\infty\)regla de los signos
\(0\)\(\pm\infty\)indeterminada

Cociente de dos límites

\(\lim f\)\(\lim g\)\(\lim \frac{f}{g}\)
\(\ell\)\(\ell'\neq 0\)\(\dfrac{\ell}{\ell'}\)
\(\ell\neq 0\)\(0^{+}\) o \(0^{-}\)\(\pm\infty\) según los signos
\(\ell\)\(\pm\infty\)\(0\)
\(\pm\infty\)\(\ell'\neq 0\)\(\pm\infty\) según los signos
\(0\)\(0\)indeterminada
\(\pm\infty\)\(\pm\infty\)indeterminada

Cuando el denominador tiende a \(0\), el signo por el que se anula decide el resultado. Por eso en este caso se estudian siempre los límites por la derecha y por la izquierda por separado.

Las cuatro formas indeterminadas:

\[ \frac{0}{0}, \qquad \frac{\infty}{\infty}, \qquad \infty-\infty, \qquad 0\times\infty \]

Ninguna de estas escrituras vale \(0\), ni \(1\), ni \(\infty\). Solo señalan que el cálculo directo fracasa y que hay que transformar la expresión. Dos formas indeterminadas del mismo tipo pueden dar resultados distintos.

Resolver una forma indeterminada

  • \(\frac{0}{0}\) polinómica: factorizar por \((x-a)\) en el numerador y en el denominador.
  • \(\frac{\infty}{\infty}\) racional: sacar como factor común el término de mayor grado.
  • \(\infty-\infty\) con raíces: multiplicar por la expresión conjugada.
  • \(0\times\infty\): reducirlo a un cociente.

Ejemplo 2 — forma \(\frac{0}{0}\)

\[ \lim_{x\to 2}\frac{x^{2}-4}{x-2} \]
Ver la resolución

Ejemplo 3 — forma \(\frac{\infty}{\infty}\)

\[ \lim_{x\to +\infty}\frac{3x^{2}-x+1}{2x^{2}+5} \]
Ver la pista
Ver la resolución

Ejemplo 4 — forma \(\infty-\infty\)

\[ \lim_{x\to +\infty}\left(\sqrt{x^{2}+x}-x\right) \]
Ver la pista
Ver la resolución

L3. Límite de una función compuesta

Límite de una compuesta

Sean \(a\), \(b\) y \(c\) finitos o infinitos, y supongamos

\[ \lim_{x\to a} u(x)=b \qquad\text{y}\qquad \lim_{t\to b} v(t)=c \]

Estas dos hipótesis no bastan cuando \(b\) es finito. Hay que añadir una de las dos condiciones siguientes.

Primer caso — \(b\) es infinito. Nada que añadir:

\[ \lim_{x\to a} \big(v\circ u\big)(x)=c \]

Segundo caso — \(b\) es finito y \(v\) es continua en \(b\). Entonces \(c=v(b)\) y la conclusión vale sin otra hipótesis.

Tercer caso — \(b\) es finito y no se supone \(v\) continua en \(b\). Hace falta entonces que \(u(x)\neq b\) en un entorno reducido de \(a\), es decir, para todo \(x\) próximo a \(a\) pero distinto de \(a\).

En la práctica se pone \(t=u(x)\): es un cambio de variable. Hay que comprobar además que \(u(x)\) pertenece al dominio de \(v\) cerca de \(a\), pero esa comprobación por sí sola no basta para justificar el paso al límite.

He aquí por qué la tercera condición es indispensable. Tomemos:

\[ u(x)=0 \ \text{ para todo } x, \qquad v(t)=\begin{cases} 1 & \text{si } t\neq 0\\ 5 & \text{si } t=0 \end{cases} \]

Se tiene en efecto \(\lim_{x\to 0}u(x)=0\) y \(\lim_{t\to 0}v(t)=1\). Sin embargo \((v\circ u)(x)=v(0)=5\) para todo \(x\), luego la compuesta tiende a \(5\), y no a \(1\).

La razón es que \(u\) toma exactamente el valor \(b=0\), justo donde \(v\) es discontinua. En el ejemplo 5 siguiente el problema no se plantea: \(v=\sqrt{\;}\) es continua en \(4\), estamos en el segundo caso.

Ejemplo 5 — cambio de variable

\[ \lim_{x\to +\infty}\sqrt{\frac{4x^{2}+1}{x^{2}+3}} \]
Ver la resolución

L4. Límites y orden

Teorema de comparación

Sean \(f\) y \(g\) tales que \(f(x)\leqslant g(x)\) cerca de \(a\).

  • Si \(\lim_{x\to a} f(x)=+\infty\), entonces \(\lim_{x\to a} g(x)=+\infty\).
  • Si \(\lim_{x\to a} g(x)=-\infty\), entonces \(\lim_{x\to a} f(x)=-\infty\).

Basta una cota inferior para empujar hacia \(+\infty\); basta una cota superior para empujar hacia \(-\infty\).

Teorema del emparedado

Sean \(f\), \(g\), \(h\) definidas cerca de \(a\), tales que \(g(x)\leqslant f(x)\leqslant h(x)\) en ese entorno. Si \(g\) y \(h\) tienen el mismo límite finito \(\ell\) en \(a\), entonces \(f\) tiene \(\ell\) por límite en \(a\).

Ejemplo 6 — emparedado con el seno

\[ \lim_{x\to +\infty}\frac{\sin x}{x} \]
Ver la pista
Ver la resolución

Una función acotada no tiene necesariamente límite: \(x\mapsto \sin x\) está acotada y no admite ningún límite en \(+\infty\). El emparedado solo concluye si las dos cotas convergen al mismo valor.

Parte B — Continuidad

A1. Continuidad en un punto

Sea \(f\) una función definida en un intervalo \(I\) y sea \(a \in I\). \(f\) es continua en \(a\) si y solo si

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

En caso contrario, \(f\) es discontinua en \(a\).

La definición exige tres cosas: que \(a\) pertenezca al dominio, que el límite exista y sea finito, y que los dos valores sean iguales. Una discontinuidad puede provenir, pues, de tres causas distintas.

Ejemplo A1. Sea \(f(x) = 3x - 1\). En \(a = 2\):

\[ \lim_{x \to 2} (3x-1) = 5 \quad \text{y} \quad f(2) = 5 \]

Luego \(f\) es continua en \(2\).

Ejemplo A1'. Sea \(g(x) = \dfrac{1}{x-1}\) para \(x \neq 1\) y \(g(1) = 0\). En \(a = 1\):

\[ \lim_{x \to 1^+} g(x) = +\infty \]

El límite no es finito: \(g\) es discontinua en \(1\).

A2. Continuidad por la derecha, continuidad por la izquierda

\(f\) es continua por la derecha en \(a\) si

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

\(f\) es continua por la izquierda en \(a\) si

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

\(f\) es continua en \(a\) si y solo si es continua por la derecha y por la izquierda en \(a\):

\[ \lim_{x \to a^+} f(x) = \lim_{x \to a^-} f(x) = f(a) \]

Este criterio es la herramienta de referencia para las funciones definidas a trozos: cada lado del punto de empalme se estudia por separado.

Ejemplo A2. Sea

\[ f(x) = \begin{cases} x + 1 & \text{si } x \leqslant 1 \\ 3 - x & \text{si } x > 1 \end{cases} \]

Estudio en \(a = 1\):

\[ \lim_{x \to 1^-} f(x) = 1 + 1 = 2, \qquad \lim_{x \to 1^+} f(x) = 3 - 1 = 2, \qquad f(1) = 2 \]

Los tres valores coinciden: \(f\) es continua en \(1\).

A3. Continuidad en un intervalo

\(f\) es continua en un intervalo abierto \(]a;b[\) si es continua en todo punto de ese intervalo.

\(f\) es continua en \([a;b]\) si es continua en \(]a;b[\), continua por la derecha en \(a\) y continua por la izquierda en \(b\).

En los extremos de un intervalo cerrado, solo tiene sentido la continuidad por el lado interior — por eso la definición los trata por separado.

A4. Continuidad de las funciones usuales

Las funciones siguientes son continuas en todo intervalo contenido en su dominio:

  • las funciones polinómicas, en \(\mathbb{R}\);
  • las funciones racionales, en todo intervalo donde el denominador no se anula;
  • \(x \mapsto \sqrt{x}\), en \([0;+\infty[\);
  • \(x \mapsto \sin x\) y \(x \mapsto \cos x\), en \(\mathbb{R}\);
  • \(x \mapsto \tan x\), en todo intervalo que no contenga \(\frac{\pi}{2} + k\pi\);
  • \(x \mapsto |x|\), en \(\mathbb{R}\).

Consecuencia práctica. Casi nunca se vuelve a la definición. Se identifica la función como una de las usuales, o como construida a partir de ellas mediante las operaciones de A5.

A5. Operaciones sobre las funciones continuas

Sean \(f\) y \(g\) continuas en \(a\), y sea \(\lambda \in \mathbb{R}\). Entonces:

  • \(f + g\) es continua en \(a\);
  • \(\lambda f\) es continua en \(a\);
  • \(f \times g\) es continua en \(a\);
  • \(\dfrac{f}{g}\) es continua en \(a\) si \(g(a) \neq 0\);
  • \(|f|\) es continua en \(a\);
  • \(\sqrt{f}\) es continua en \(a\) si \(f(a) \geqslant 0\) y \(f \geqslant 0\) cerca de \(a\).

Ejemplo A5. Sea \(h(x) = \dfrac{x^2 + 1}{x - 3}\). En \(]3;+\infty[\): numerador y denominador son polinomios, luego continuos; el denominador no se anula. Luego \(h\) es continua en \(]3;+\infty[\). El mismo argumento en \(]-\infty;3[\).

A6. Continuidad de la compuesta

Si \(u\) es continua en \(a\) y \(v\) continua en \(u(a)\), entonces \(v \circ u\) es continua en \(a\).

Si \(u\) es continua en \(I\), \(u(I) \subset J\) y \(v\) continua en \(J\), entonces \(v \circ u\) es continua en \(I\).

Ejemplo A6. Sea \(f(x) = \sqrt{x^2 + 1}\). Pongamos \(u(x) = x^2 + 1\) y \(v(t) = \sqrt{t}\). \(u\) es continua en \(\mathbb{R}\), y \(u(x) \geqslant 1 > 0\) luego \(u(\mathbb{R}) \subset [1;+\infty[\) donde \(v\) es continua. Por tanto \(f = v \circ u\) es continua en \(\mathbb{R}\).

A7. Imagen de un intervalo, imagen de un intervalo cerrado

Si \(f\) es continua en un intervalo \(I\), entonces \(f(I)\) es un intervalo.

Si \(f\) es continua en un intervalo cerrado \([a;b]\), entonces \(f([a;b])\) es un intervalo cerrado \([m;M]\), donde \(m\) es el mínimo y \(M\) el máximo de \(f\) en \([a;b]\). En particular, \(f\) está acotada y alcanza sus extremos.

Cuidado. \(f([a;b]) = [m;M]\) — y no \([f(a);f(b)]\). La igualdad \(f([a;b]) = [f(a);f(b)]\) solo vale si \(f\) es continua y creciente en \([a;b]\).

Ejemplo A7. Sea \(f(x) = x^2\) en \([-1;2]\). \(f(-1) = 1\) y \(f(2) = 4\), pero \(f([-1;2]) = [0;4]\): el mínimo \(0\) se alcanza en \(x = 0\), dentro del intervalo. El intervalo \([1;4]\) sería una respuesta errónea.

Caso monótono. Si \(f\) es continua y estrictamente monótona en \(I\), la imagen se lee en los extremos:

  • \(f\) creciente en \([a;b]\): \(f([a;b]) = [f(a);f(b)]\);
  • \(f\) decreciente en \([a;b]\): \(f([a;b]) = [f(b);f(a)]\);
  • \(f\) creciente en \([a;b[\): \(f([a;b[) = \left[f(a); \lim_{x \to b^-} f(x)\right[\).

A8. Prolongación por continuidad

Sea \(f\) definida en \(I \setminus \{a\}\), donde \(I\) es un intervalo que contiene \(a\). La función \(f\) no está, pues, definida en \(a\), y la cuestión de su continuidad en ese punto no se plantea como tal.

Decimos que \(f\) es prolongable por continuidad en \(a\) cuando \(\displaystyle\lim_{x \to a} f(x)\) existe y es finito. Llamando \(\ell\) a ese límite, ponemos entonces:

\[ \tilde f(x) = \begin{cases} f(x) & \text{si } x \in I \setminus \{a\} \\ \ell & \text{si } x = a \end{cases} \]

La función \(\tilde f\) así definida es continua en \(a\): es la prolongación por continuidad de \(f\).

Dos condiciones, y ninguna es facultativa.

  • El límite debe existir: si los límites por la derecha y por la izquierda difieren, no es posible ninguna prolongación.
  • Debe ser finito: un límite infinito prohíbe toda prolongación, puesto que no se puede poner \(\tilde f(a) = +\infty\).

Cuando ambas se cumplen, el valor \(\ell\) queda impuesto: la prolongación existe y es única. No se elige \(\tilde f(a)\).

Ejemplo. Sea \(f(x) = \dfrac{x^2 - 4}{x - 2}\), definida en \(\mathbb{R} \setminus \{2\}\). ¿Es prolongable por continuidad en \(2\)?

Para \(x \neq 2\), factorizamos:

\[ \frac{x^2-4}{x-2} = \frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = x+2 \] \[ \lim_{x \to 2} f(x) = 4 \]

El límite existe y es finito: \(f\) es prolongable por continuidad en \(2\), poniendo \(\tilde f(2) = 4\).

Contraejemplo. Para \(g(x) = \dfrac{1}{x-2}\), se tiene \(\displaystyle\lim_{x \to 2^{+}} g(x) = +\infty\) y \(\displaystyle\lim_{x \to 2^{-}} g(x) = -\infty\). Ni la existencia ni la finitud se cumplen: \(g\) no es prolongable por continuidad en \(2\) de ninguna manera.

La noción enlaza con A1: prolongar es precisamente añadir el valor que falta para que las tres condiciones de la continuidad en un punto queden por fin reunidas.

Parte C — Teoremas fundamentales

B1. Teorema de los valores intermedios

TVI. Sea \(f\) continua en \([a;b]\). Para todo real \(k\) comprendido entre \(f(a)\) y \(f(b)\), existe al menos un \(c \in [a;b]\) tal que \(f(c) = k\).

Teorema de los valores intermedios f es continua en el intervalo cerrado [a, b]. El numero real lambda esta estrictamente comprendido entre f(a) y f(b). Existe por tanto c en [a, b] tal que f(c) vale lambda. x y λ f(a) f(b) a b c (c, λ) curva de f
Las abscisas \(a\) y \(b\), las ordenadas \(f(a)\), \(f(b)\) y \(\lambda\), así como el punto \((c,\lambda)\), están situados a partir de valores calculados: \(a=1\), \(b=5\), \(f(a)=2{,}55\), \(f(b)=5{,}15\), \(\lambda=3{,}85\) y \(c\approx 4{,}739\). El punto marcado pertenece efectivamente a la curva.

Caso particular. Si \(f\) es continua en \([a;b]\) y \(f(a) \cdot f(b) < 0\), entonces la ecuación \(f(x) = 0\) admite al menos una solución en \(]a;b[\).

Ejemplo B1. Demostremos que \(x^3 + x - 1 = 0\) admite una solución en \([0;1]\). Pongamos \(f(x) = x^3 + x - 1\), continua en \(\mathbb{R}\) por ser polinómica.

\[ f(0) = -1 < 0, \qquad f(1) = 1 > 0 \]

\(f\) es continua en \([0;1]\) y \(f(0) \cdot f(1) < 0\): por el TVI, existe \(c \in ]0;1[\) tal que \(f(c) = 0\).

Redacción esperada. Tres elementos obligatorios: la continuidad (con su justificación), el intervalo, y el signo o la acotación. Omitir la justificación de la continuidad cuesta puntos.

B2. Corolario: existencia y unicidad

Si \(f\) es continua y estrictamente monótona en \([a;b]\), entonces para todo \(k\) comprendido entre \(f(a)\) y \(f(b)\), la ecuación \(f(x) = k\) admite una solución única en \([a;b]\).

El TVI proporciona la existencia, la monotonía estricta proporciona la unicidad. Son dos argumentos distintos, que deben citarse por separado.

Ejemplo B2. Retomemos \(f(x) = x^3 + x - 1\) en \([0;1]\). \(f\) es derivable y \(f'(x) = 3x^2 + 1 > 0\), luego \(f\) es estrictamente creciente en \([0;1]\). Junto con el ejemplo B1, la ecuación \(f(x) = 0\) admite una solución única \(\alpha \in ]0;1[\).

B3. Acotación por bisección

La bisección acota la solución \(\alpha\) dividiendo el intervalo por la mitad en cada etapa y conservando la mitad donde persiste el cambio de signo.

Ejemplo B3. Acotemos \(\alpha\), solución de \(x^3 + x - 1 = 0\) en \([0;1]\), con una amplitud de \(0{,}25\).

\[ f(0{,}5) = 0{,}125 + 0{,}5 - 1 = -0{,}375 < 0 \]

Luego \(\alpha \in ]0{,}5 ; 1[\).

\[ f(0{,}75) = 0{,}421875 + 0{,}75 - 1 = 0{,}171875 > 0 \]

Luego \(\alpha \in ]0{,}5 ; 0{,}75[\), de amplitud \(0{,}25\).

B4. Función inversa

Si \(f\) es continua y estrictamente monótona en un intervalo \(I\), entonces \(f\) es una biyección de \(I\) sobre \(J = f(I)\). Admite por tanto una función inversa \(f^{-1} : J \to I\), que es:

  • continua en \(J\);
  • estrictamente monótona en \(J\), en el mismo sentido que \(f\).

Para todo \(x \in I\) y todo \(y \in J\):

\[ f^{-1}(f(x)) = x, \qquad f(f^{-1}(y)) = y \] \[ y = f(x) \iff x = f^{-1}(y) \]

En un sistema de referencia ortonormal, las curvas de \(f\) y de \(f^{-1}\) son simétricas respecto de la recta de ecuación \(y = x\).

Ejemplo B4. Sea \(f(x) = x^2\) en \(I = [0;+\infty[\). \(f\) es continua y estrictamente creciente en \(I\), y \(f(I) = [0;+\infty[\). Luego \(f\) es una biyección de \([0;+\infty[\) sobre sí mismo, y

\[ f^{-1}(y) = \sqrt{y} \quad \text{para } y \geqslant 0 \]

En todo \(\mathbb{R}\), \(f\) no es inyectiva (\(f(-2) = f(2)\)): la restricción a \([0;+\infty[\) es indispensable.

B5. Raíz \(n\)-ésima

Sea \(n \in \mathbb{N}^*\). La función \(x \mapsto x^n\) es continua y estrictamente creciente en \([0;+\infty[\), con imagen \([0;+\infty[\). Su inversa es la raíz \(n\)-ésima:

\[ \sqrt[n]{\;} : [0;+\infty[ \;\to\; [0;+\infty[ \]

Para \(x \geqslant 0\), \(\sqrt[n]{x}\) es el único real no negativo cuya potencia \(n\)-ésima vale \(x\):

\[ y = \sqrt[n]{x} \iff y \geqslant 0 \text{ y } y^n = x \]

Una nota sobre el marco elegido. Para \(n\) impar, existe una raíz \(n\)-ésima definida en todo \(\mathbb{R}\): por ejemplo \(-2\) cumple \((-2)^3 = -8\), y puede escribirse legítimamente \(\sqrt[3]{-8} = -2\) en ese marco más amplio.

En este curso consideramos la restricción a \([0;+\infty[\), sea cual sea \(n\). Es un convenio de presentación, no una imposibilidad: en ese intervalo, \(x \mapsto x^n\) es biyectiva para todo \(n\), y las propiedades anteriores valen todas a la vez, lo que deja de ocurrir si se mezclan exponentes pares e impares sobre \(\mathbb{R}\).

Para \(a \geqslant 0\), \(b \geqslant 0\), \(n, m \in \mathbb{N}^*\):

\[ \sqrt[n]{ab} = \sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b}, \qquad \sqrt[n]{\frac{a}{b}} = \frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}} \;(b > 0) \] \[ \sqrt[n]{a^m} = \left(\sqrt[n]{a}\right)^m, \qquad \sqrt[m]{\sqrt[n]{a}} = \sqrt[mn]{a} \]

La función \(x \mapsto \sqrt[n]{x}\) es continua en \([0;+\infty[\).

Ejemplo B5. Simplifiquemos \(\sqrt[3]{8} \cdot \sqrt[3]{27}\):

\[ \sqrt[3]{8} \cdot \sqrt[3]{27} = \sqrt[3]{8 \times 27} = \sqrt[3]{216} = 6 \]

Comprobación: \(2 \times 3 = 6\).

B6. Potencias racionales

Para \(a > 0\), \(p \in \mathbb{Z}\) y \(q \in \mathbb{N}^*\), ponemos

\[ a^{\frac{p}{q}} = \sqrt[q]{a^p} \]

En particular \(a^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{a}\).

Para \(a > 0\), \(b > 0\) y \(r, s \in \mathbb{Q}\):

\[ a^r \cdot a^s = a^{r+s}, \qquad \frac{a^r}{a^s} = a^{r-s}, \qquad (a^r)^s = a^{rs} \] \[ (ab)^r = a^r b^r, \qquad a^{-r} = \frac{1}{a^r} \]

Ejemplo B6. Calculemos \(8^{\frac{2}{3}}\):

\[ 8^{\frac{2}{3}} = \sqrt[3]{8^2} = \sqrt[3]{64} = 4 \]

O bien \(8^{\frac{2}{3}} = \left(\sqrt[3]{8}\right)^2 = 2^2 = 4\) — ambos caminos dan el mismo resultado.

Resumen del capítulo

  • Demostrar la continuidad: funciones usuales + operaciones + composición. La definición solo interviene en los puntos de empalme.
  • Función a trozos: límite por la derecha = límite por la izquierda = valor.
  • Imagen de un intervalo cerrado: \([m;M]\), no \([f(a);f(b)]\), salvo si es monótona.
  • Existencia de una solución: TVI, con la continuidad justificada.
  • Unicidad: monotonía estricta, un argumento aparte.
  • Inversa: continua, estrictamente monótona en el mismo sentido, curvas simétricas respecto de \(y = x\).

Ejemplos resueltos

Nueve situaciones escritas paso a paso. Busca cada etapa antes de revelarla.

Ejemplo 1 — Continuidad de una función definida a trozos

Sea

\[ f(x) = \begin{cases} \dfrac{x^2 - 4}{x - 2} & \text{si } x \neq 2 \\ m & \text{si } x = 2 \end{cases} \]

Determina \(m\) para que \(f\) sea continua en \(2\).

Ver la respuesta

Ejemplo 2 — Continuidad en el punto de empalme

Sea

\[ g(x) = \begin{cases} x^2 + 1 & \text{si } x < 1 \\ ax + b & \text{si } x \geqslant 1 \end{cases} \]

Sabemos que \(g\) es continua en \(1\) y que \(g(3) = 8\). Determina \(a\) y \(b\).

Ver la respuesta

Ejemplo 3 — Imagen de un intervalo

Sea \(f(x) = x^2 - 4x + 1\) en \([0;3]\). Determina \(f([0;3])\).

Ver la respuesta

Ejemplo 4 — Existencia y unicidad de una solución

Sea \(f(x) = x^3 + 3x - 5\). Demuestra que la ecuación \(f(x) = 0\) admite una única solución \(\alpha\) en \(\mathbb{R}\), y localízala después entre dos enteros consecutivos.

Ver la respuesta

Ejemplo 5 — Función inversa explícita

Sea \(f(x) = \dfrac{2x + 1}{x - 1}\) definida en \(I = ]1;+\infty[\). Demuestra que \(f\) es una biyección de \(I\) sobre un intervalo \(J\) que has de determinar, y da \(f^{-1}\) de forma explícita.

Ver la respuesta

Ejemplo 6 — Forma \(\frac{0}{0}\): factorizar

Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 3} \frac{x^2 - 9}{x^2 - 4x + 3}\).

Ver la pista
Ver la resolución

Ejemplo 7 — Forma \(\frac{\infty}{\infty}\): mayor grado

Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to -\infty} \frac{2x^3 - x}{5x^3 + 4x^2}\).

Ver la resolución

Ejemplo 8 — Forma \(\infty - \infty\): expresión conjugada

Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty}\left(\sqrt{x^2+3x} - x\right)\).

Ver la pista
Ver la resolución

Ejemplo 9 — Composición: la condición que se olvida

Sabemos que \(\displaystyle\lim_{x \to a} u(x) = b\) y \(\displaystyle\lim_{t \to b} v(t) = c\). ¿Puede concluirse que \(\displaystyle\lim_{x \to a}(v \circ u)(x) = c\)?

Ver la pista
Ver la resolución

Métodos utilizados

  • Ejemplo 1 — Prolongación por continuidad: calcular el límite y después imponerlo como valor.
  • Ejemplo 2 — Empalme: dos límites laterales y después uso de una condición adicional. Un sistema con dos incógnitas.
  • Ejemplo 3 — Imagen de un intervalo cerrado: justificar la continuidad, hacer la tabla de variaciones, comparar todos los valores candidatos. Nunca conformarse con los extremos.
  • Ejemplo 4 — Existencia + unicidad: TVI y después monotonía estricta, dos argumentos distintos. La acotación se obtiene calculando signos.
  • Ejemplo 5 — Inversa: continuidad, monotonía, imagen, y después resolución algebraica de \(y = f(x)\) en \(x\).

Tres errores que no hay que repetir

  • Escribir \(f([a;b]) = [f(a);f(b)]\) sin haber establecido la monotonía.
  • Concluir la unicidad a partir del TVI solamente.
  • Olvidar justificar la continuidad antes de invocar el TVI — es la hipótesis del teorema.

Métodos utilizados — ejemplos 6 a 9

Ejemplo 6 — Forma \(\frac{0}{0}\): factorizar por \((x-a)\) en el numerador y en el denominador, y simplificar después para \(x \neq a\).

Ejemplo 7 — Forma \(\frac{\infty}{\infty}\): sacar como factor común el término de mayor grado arriba y abajo.

Ejemplo 8 — Forma \(\infty - \infty\) con una raíz: multiplicar por la expresión conjugada y sacar después \(x\) como factor común.

Ejemplo 9 — Composición: cuando \(b\) es finito, comprobar que \(v\) es continua en \(b\) o que \(u\) no toma el valor \(b\) cerca de \(a\).

Dos errores que no hay que repetir — parte de los límites

Escribir \(\infty-\infty = 0\) o \(\frac{\infty}{\infty} = 1\): estas escrituras no designan ningún número.

Justificar un cambio de variable solo porque \(u(x)\) pertenece al dominio de \(v\): la condición trata de la continuidad, o del entorno reducido.

Ejercicios interactivos

Cuatro niveles. Trabaja cada pregunta en papel antes de revelar la respuesta. Las pistas están para desbloquearte, no para sustituir la búsqueda.

Nivel 1 — Aplicación directa

Ejercicio 1. Estudia la continuidad en \(0\) de

\[ f(x) = \begin{cases} \dfrac{\sqrt{x+1} - 1}{x} & \text{si } x \neq 0, \; x > -1 \\ \dfrac{1}{2} & \text{si } x = 0 \end{cases} \]

a) Simplifica la expresión de \(f(x)\) para \(x \neq 0\).

Ver la pista
Ver la respuesta

b) Deduce \(\displaystyle\lim_{x \to 0} f(x)\).

Ver la respuesta

c) Concluye sobre la continuidad de \(f\) en \(0\).

Ver la respuesta

Ejercicio 2. Sea \(h(x) = \dfrac{\sqrt{x}}{x^2 + 1}\).

a) Determina el dominio de definición de \(h\).

Ver la respuesta

b) Justifica la continuidad del numerador y la del denominador.

Ver la respuesta

c) Concluye que \(h\) es continua en \([0;+\infty[\).

Ver la respuesta

Ejercicio 3. Cálculos de raíces y de potencias racionales.

a) Calcula \(\sqrt[4]{16}\).

Ver la respuesta

b) Calcula \(27^{\frac{1}{3}}\).

Ver la respuesta

c) Calcula \(32^{\frac{2}{5}}\).

Ver la respuesta

d) ¿Qué propiedad autoriza la escritura \(\left(\sqrt[5]{32}\right)^2 = \sqrt[5]{32^2}\), y bajo qué condiciones?

Ver la respuesta

Ejercicio 9. Límites usuales y operaciones.

a) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \frac{3x^2 - x + 1}{2x^2 + 5}\).

Ver la pista
Ver la respuesta

b) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0^{+}} \frac{1}{x}\) y después \(\displaystyle\lim_{x \to 0^{-}} \frac{1}{x}\). ¿Qué puede decirse de \(\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{1}{x}\)?

Ver la respuesta

c) La misma pregunta para \(\dfrac{1}{x^2}\). Explica la diferencia.

Ver la respuesta

d) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x}\).

Ver la respuesta

Nivel 2 — Razonamiento

Ejercicio 4. Sea \(f(x) = x^3 - 3x + 1\).

a) Demuestra que \(f(x) = 0\) tiene una solución en \([0;1]\).

Ver la respuesta

b) ¿Es única esta solución en \(\mathbb{R}\)?

Ver la respuesta

c) ¿Y la solución de \([0;1]\), es única en ese intervalo?

Ver la pista
Ver la respuesta

d) Acota esta solución por bisección, con una amplitud de \(0{,}25\).

Ver la respuesta

Ejercicio 5. Sea \(f(x) = x^2 + 2x\) en \([-2;1]\).

a) Justifica que \(f([-2;1])\) es un intervalo cerrado.

Ver la respuesta

b) Estudia las variaciones de \(f\) en \([-2;1]\).

Ver la respuesta

c) Deduce \(f([-2;1])\).

Ver la respuesta

Ejercicio 6. Determina \(a\) y \(b\) para que

\[ f(x) = \begin{cases} ax + 2 & \text{si } x \leqslant 0 \\ \dfrac{\sin(bx)}{x} & \text{si } x > 0 \end{cases} \]

sea continua en \(0\), con \(b \neq 0\).

a) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0^{-}} f(x)\) y \(f(0)\).

Ver la respuesta

b) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0^{+}} f(x)\) en función de \(b\).

Ver la pista
Ver la respuesta

c) Concluye sobre \(a\) y sobre \(b\).

Ver la respuesta

Ejercicio 10. Formas indeterminadas.

a) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2}\).

Ver la respuesta

b) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty}\left(\sqrt{x^2+x} - x\right)\).

Ver la pista
Ver la respuesta

c) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{x^2}{\sin x}\).

Ver la respuesta

d) ¿Pueden dos formas \(\infty - \infty\) tener límites distintos? Da dos ejemplos.

Ver la respuesta

Nivel 3 — Comparación y acotación

Ejercicio 11. Funciones acotadas, comparación y acotación.

a) Acota \(\sin x\) para todo real \(x\), y acota después \(\dfrac{\sin x}{x}\) para \(x > 0\).

Ver la respuesta

b) Deduce \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \frac{\sin x}{x}\).

Ver la respuesta

c) La función \(x \mapsto \sin x\) está acotada. ¿Tiene límite en \(+\infty\)? Justifica.

Ver la pista
Ver la respuesta

d) Sea \(f\) tal que \(f(x) \geqslant x - \cos x\) para todo \(x > 0\). Determina \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x)\).

Ver la respuesta

Nivel 4 — Profundización

Ejercicio 7. Sea \(f\) continua en \([0;1]\) con \(f(0) = 0\) y \(f(1) = 1\).

a) Se busca \(c\) tal que \(f(c) = 1 - c\). ¿Qué función auxiliar hay que introducir?

Ver la respuesta

b) Calcula \(g(0)\) y \(g(1)\).

Ver la respuesta

c) Concluye y extrae el método general.

Ver la respuesta

Ejercicio 8. Sea \(f(x) = \dfrac{x}{x^2+1}\) en \([0;1]\).

a) Demuestra que \(f\) es continua y estrictamente creciente en \([0;1]\).

Ver la respuesta

b) Deduce que \(f\) es una biyección de \([0;1]\) sobre un intervalo \(J\) que has de determinar.

Ver la respuesta

c) Determina \(f^{-1}(y)\) para \(y \in J\).

Ver la pista
Ver la respuesta

Ejercicio 12. Límite de una función compuesta.

a) Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \sqrt{\frac{4x^2+1}{x^2+3}}\) y justifica el paso al límite.

Ver la respuesta

b) Sean \(u(x) = 0\) para todo \(x\), y \(v\) definida por \(v(t) = 1\) si \(t \neq 0\), \(v(0) = 5\). Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0} u(x)\), \(\displaystyle\lim_{t \to 0} v(t)\), y después \(\displaystyle\lim_{x \to 0}(v \circ u)(x)\).

Ver la respuesta

c) ¿Qué hipótesis falta en la pregunta b), y por qué no la necesita la pregunta a)?

Ver la respuesta

Baremo orientativo y puntos de método

EjercicioMétodo clavePuntos
1Cantidad conjugada, y después la definición de continuidad2
2Cociente de funciones continuas, denominador que no se anula2
3Raíces \(n\)-ésimas y potencias racionales2
4TVI; contraejemplo a la unicidad por el signo de \(f'\)3
5Imagen de un intervalo cerrado mediante la tabla de variaciones3
6Límites laterales; \(\lim \frac{\sin t}{t} = 1\)3
7Función auxiliar \(g = f - \varphi\), y después TVI2
8Biyección, imagen, inversión algebraica, elección de la raíz3

Refuerzo dirigido

  • Ejercicios 1, 2 o 3 fallados → vuelve al Curso esencial, secciones A1 a A5, y después a los ejemplos 1 y 2.
  • Ejercicio 4 o 5 fallado → repasa A7 y B1, y después el ejemplo 3. El error es casi siempre \(f([a;b]) = [f(a);f(b)]\) aplicado sin monotonía.
  • Ejercicio 6 fallado → repasa A2 y los límites trigonométricos de primero.
  • Ejercicios 7 u 8 fallados → repasa B2 y B4, y después el ejemplo 5.

Respuestas breves

  • 1. Continua en \(0\).
  • 2. Continua en \([0;+\infty[\).
  • 3. \(2\); \(3\); \(4\).
  • 4. a) TVI en \([0;1]\). b) No, tres soluciones.
  • 5. \([-1;3]\).
  • 6. \(b = 2\), \(a\) cualquiera.
  • 7. Poner \(g(x) = f(x) - 1 + x\).
  • 8. \(J = \left[0;\tfrac12\right]\); \(f^{-1}(y) = \dfrac{1-\sqrt{1-4y^2}}{2y}\).

Baremo orientativo y puntos de método — ejercicios 9 a 12

Ejercicio 9 — Límites usuales, signo del denominador, límite trigonométrico. 4 puntos.

Ejercicio 10 — Las cuatro formas indeterminadas y las técnicas que las resuelven. 4 puntos.

Ejercicio 11 — Acotación, comparación, y el contraejemplo de la función acotada sin límite. 4 puntos.

Ejercicio 12 — Composición: condición de continuidad o de entorno reducido. 3 puntos.

Refuerzo dirigido — parte de los límites

Si el ejercicio 9 b) o c) se resiste: repasa el signo del denominador cuando tiende a \(0\), y vuelve al ejemplo 1 del curso.

Si el ejercicio 10 se resiste: vuelve al método «Resolver una forma indeterminada» del curso, técnica por técnica, antes de rehacer los ejemplos 6 a 8.

Si el ejercicio 11 c) se resiste: recuerda que estar acotada no da límite alguno, y que el emparedado exige dos cotas que converjan al mismo valor finito.

Si el ejercicio 12 c) se resiste: rehaz el ejemplo 9, que trata exactamente este punto.

Respuestas breves — ejercicios 9 a 12

9 a) \(\frac{3}{2}\) — b) \(+\infty\) y \(-\infty\), sin límite — c) \(+\infty\) — d) \(3\).

10 a) \(4\) — b) \(\frac{1}{2}\) — c) \(0\) — d) \(1\) y \(+\infty\).

11 a) \(-\frac{1}{x} \leqslant \frac{\sin x}{x} \leqslant \frac{1}{x}\) — b) \(0\) — c) no — d) \(+\infty\).

12 a) \(2\) — b) \(0\), \(1\), después \(5\) — c) continuidad en \(b\), o entorno reducido.

Modo examen

Examen 1 — Continuidad

Prueba de \(1\) hora, \(20\) puntos. Sin documentos. Resuelve los tres ejercicios en el orden que prefieras, redactando por completo.

Ejercicio I — Continuidad y empalme (6 puntos)

Sea

\[ f(x) = \begin{cases} \dfrac{x^2 - x - 2}{x - 2} & \text{si } x > 2 \\ ax + 1 & \text{si } x \leqslant 2 \end{cases} \]
  • 1. Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 2^+} f(x)\). (2 puntos)
  • 2. Determina \(a\) para que \(f\) sea continua en \(2\). (2 puntos)
  • 3. Con ese valor de \(a\), justifica que \(f\) es continua en \(\mathbb{R}\). (2 puntos)

Ejercicio II — TVI y bisección (7 puntos)

Sea \(g(x) = x^3 + x^2 - 2\).

  • 1. Justifica que \(g\) es continua en \(\mathbb{R}\). (1 punto)
  • 2. Calcula \(g(0)\) y \(g(2)\), y demuestra que \(g(x) = 0\) tiene una solución en \([0;2]\). (2 puntos)
  • 3. Estudia el signo de \(g'\) en \([0;2]\) y deduce la unicidad de esa solución \(\alpha\). (2 puntos)
  • 4. Acota \(\alpha\) con una amplitud de \(0{,}5\) por bisección. (2 puntos)

Ejercicio III — Biyección e inversa (7 puntos)

Sea \(h(x) = \sqrt{2x + 3}\) en \(I = \left[-\tfrac{3}{2} ; +\infty\right[\).

  • 1. Justifica que \(h\) es continua en \(I\). (2 puntos)
  • 2. Estudia la monotonía de \(h\) en \(I\). (2 puntos)
  • 3. Determina \(J = h(I)\). (1 punto)
  • 4. Demuestra que \(h\) es una biyección de \(I\) sobre \(J\) y da \(h^{-1}\) de forma explícita. (2 puntos)

Consejo de gestión del tiempo. Unos \(15\) minutos para el Ejercicio I, \(20\) para el II, \(20\) para el III, y \(5\) minutos de repaso. En cada pregunta que invoque un teorema, comprueba que has escrito sus hipótesis.

Examen 2 — Límites y continuidad

Prueba de \(1\) hora, \(20\) puntos. Sin documentos. Resuelve los tres ejercicios en el orden que prefieras, redactando por completo.

Ejercicio I — Cálculo de límites (6 puntos)

1. Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x^2 - 3x + 2}\). (2 puntos)

2. Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty}\left(\sqrt{x^2+4x} - x\right)\). (2 puntos)

3. Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sin(5x)}{2x}\). (2 puntos)

Ejercicio II — Acotación y comparación (7 puntos)

Sea \(f\) definida en \(]0;+\infty[\) por \(f(x) = \dfrac{2 + \cos x}{x}\).

1. Demuestra que \(\dfrac{1}{x} \leqslant f(x) \leqslant \dfrac{3}{x}\) para todo \(x > 0\). (3 puntos)

2. Deduce \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x)\). (2 puntos)

3. Sea \(g(x) = x + \sin x\). Demuestra que \(\displaystyle\lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty\). (2 puntos)

Ejercicio III — Prolongación por continuidad (7 puntos)

Sea \(h(x) = \dfrac{x^2 - 3x + 2}{x - 1}\) definida en \(]1;+\infty[\).

1. Determina \(\displaystyle\lim_{x \to 1^{+}} h(x)\). (2 puntos)

2. ¿Puede \(h\) prolongarse por continuidad en \(1\)? Si es así, da su prolongación \(\tilde h\). (3 puntos)

3. Sea \(k(x) = \sqrt{h(x) + 3}\). Calcula \(\displaystyle\lim_{x \to 1^{+}} k(x)\), justificando el paso al límite. (2 puntos)

Modo examen — soluciones

Ejercicio I (6 puntos)

1. Para \(x > 2\), factoricemos el numerador. \(x^2 - x - 2\) tiene raíces \(2\) y \(-1\), luego

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

2. Por la izquierda, \(\displaystyle\lim_{x \to 2^-} f(x) = 2a + 1 = f(2)\). La continuidad en \(2\) impone

\[ 2a + 1 = 3 \;\Longrightarrow\; a = 1 \]

3. Con \(a = 1\): en \(]-\infty;2]\), \(f(x) = x+1\) es un polinomio, luego continua; en \(]2;+\infty[\), \(f(x) = x+1\) también. En \(2\), la continuidad quedó establecida en la pregunta 2. Luego \(f\) es continua en \(\mathbb{R}\) — y de hecho vale \(x+1\) en todas partes.

Ejercicio II (7 puntos)

1. \(g\) es un polinomio, luego continua en \(\mathbb{R}\).

2.

\[ g(0) = -2 < 0, \qquad g(2) = 8 + 4 - 2 = 10 > 0 \]

\(g\) es continua en \([0;2]\) y \(g(0) \cdot g(2) < 0\): por el TVI, \(g\) se anula al menos una vez en \(]0;2[\).

3.

\[ g'(x) = 3x^2 + 2x = x(3x+2) \]

En \(]0;2]\), \(x > 0\) y \(3x + 2 > 0\) luego \(g' > 0\): \(g\) es estrictamente creciente en \([0;2]\). La solución \(\alpha\) es por tanto única.

4. Bisección:

\[ g(1) = 1 + 1 - 2 = 0 \]

La solución se alcanza exactamente: \(\alpha = 1\). La acotación pedida es por tanto inmediata, \(\alpha \in [1;1]\).

Observación. Un alumno que prosiga la bisección sin advertir que \(g(1) = 0\) no es penalizado si la acotación obtenida es correcta.

Ejercicio III (7 puntos)

1. Pongamos \(u(x) = 2x+3\), un polinomio luego continua en \(I\), y \(v(t) = \sqrt{t}\), continua en \([0;+\infty[\). Para \(x \geqslant -\tfrac{3}{2}\), \(u(x) \geqslant 0\), luego \(u(I) \subset [0;+\infty[\). Por composición, \(h = v \circ u\) es continua en \(I\).

2. \(u\) es estrictamente creciente y \(v\) es estrictamente creciente en \([0;+\infty[\): la compuesta \(h\) es estrictamente creciente en \(I\).

O por cálculo, en \(\left]-\tfrac32;+\infty\right[\):

\[ h'(x) = \frac{2}{2\sqrt{2x+3}} = \frac{1}{\sqrt{2x+3}} > 0 \]

3.

\[ h\!\left(-\tfrac{3}{2}\right) = 0, \qquad \lim_{x \to +\infty} h(x) = +\infty \]

Que \(h\) sea continua y estrictamente creciente en \(I\) da \(J = h(I) = [0;+\infty[\).

4. Continua y estrictamente monótona: \(h\) es una biyección de \(I\) sobre \(J\). Para \(y \geqslant 0\):

\[ y = \sqrt{2x+3} \;\Longrightarrow\; y^2 = 2x+3 \;\Longrightarrow\; x = \frac{y^2-3}{2} \] \[ h^{-1}(y) = \frac{y^2 - 3}{2} \quad \text{para } y \in [0;+\infty[ \]

Comprobación. \(h(3) = \sqrt{9} = 3\) y \(h^{-1}(3) = \frac{9-3}{2} = 3\) ✓

Cómo leer tu nota

  • 16 a 20 — Capítulo dominado. Pasa al capítulo siguiente.
  • 11 a 15 — Bases asentadas. Rehaz los ejercicios de nivel 3.
  • 6 a 10 — Repasa la Parte C del Curso esencial, y después los ejemplos 4 y 5.
  • 0 a 5 — Empieza el capítulo de nuevo desde la Parte B, y rehaz el diagnóstico de la Página de inicio.

Errores más frecuentes

  • Ejercicio I.3: olvidar tratar las dos ramas y el punto de empalme.
  • Ejercicio II.3: concluir la unicidad sin estudiar el signo de \(g'\).
  • Ejercicio III.1: invocar la composición sin comprobar \(u(I) \subset [0;+\infty[\).
  • Ejercicio III.4: dar \(h^{-1}\) sin indicar su dominio de definición.

Examen 2 — soluciones

Ejercicio I (6 puntos)

1. El número \(1\) anula los dos polinomios:

\[ \frac{x^2-1}{x^2-3x+2} = \frac{(x-1)(x+1)}{(x-1)(x-2)} = \frac{x+1}{x-2} \quad (x \neq 1) \] \[ \lim_{x \to 1} \frac{x^2-1}{x^2-3x+2} = \frac{2}{-1} = -2 \]

2. Expresión conjugada:

\[ \sqrt{x^2+4x} - x = \frac{4x}{\sqrt{x^2+4x}+x} = \frac{4}{\sqrt{1+\frac{4}{x}}+1} \longrightarrow 2 \]

3. Hacer aparecer \(\dfrac{\sin t}{t}\):

\[ \frac{\sin(5x)}{2x} = \frac{5}{2} \cdot \frac{\sin(5x)}{5x} \longrightarrow \frac{5}{2} \]

Ejercicio II (7 puntos)

1. Para todo real \(x\), \(-1 \leqslant \cos x \leqslant 1\), luego \(1 \leqslant 2+\cos x \leqslant 3\). Dividiendo por \(x > 0\), lo que no invierte las desigualdades:

\[ \frac{1}{x} \leqslant \frac{2+\cos x}{x} \leqslant \frac{3}{x} \]

2. Las dos cotas tienden a \(0\) en \(+\infty\). Por el teorema del emparedado:

\[ \lim_{x \to +\infty} f(x) = 0 \]

3. Como \(\sin x \geqslant -1\), se tiene \(g(x) \geqslant x - 1\) para todo \(x\). Y \(x-1 \to +\infty\). Por comparación:

\[ \lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty \]

Aquí basta una sola cota inferior, porque empujamos hacia \(+\infty\).

Ejercicio III (7 puntos)

1. El numerador \(x^2-3x+2 = (x-1)(x-2)\) se anula también en \(1\). Tras simplificar, lo cual es lícito pues \(x \neq 1\):

\[ h(x) = x - 2 \qquad \text{luego} \qquad \lim_{x \to 1^{+}} h(x) = -1 \]

El límite es finito: el denominador se anula, pero no hay divergencia alguna, al contrario de lo que la forma de la escritura hacía temer.

2. El límite existe y es finito: \(h\) puede prolongarse por continuidad en \(1\), y la prolongación es única:

\[ \tilde h(x) = \begin{cases} h(x) & \text{si } x > 1 \\ -1 & \text{si } x = 1 \end{cases} \]

El valor \(-1\) no se elige: lo impone el límite.

3. Se tiene \(h(x) + 3 \to -1 + 3 = 2\) cuando \(x \to 1^{+}\). La función \(t \mapsto \sqrt{t}\) es continua en \(2\): el paso al límite en la compuesta es lícito sin hipótesis adicional.

\[ \lim_{x \to 1^{+}} k(x) = \sqrt{2} \]

Cómo leer tu nota — Examen 2

16 a 20 — los límites están seguros, incluidos los casos con trampa.

11 a 15 — las técnicas se conocen, falta cuidar las justificaciones.

6 a 10 — repasa las formas indeterminadas y la acotación antes de seguir.

0 a 5 — vuelve a la Parte A del curso — los límites — y a los ejemplos 6 a 9.

Errores más frecuentes — Examen 2

Concluir que hay divergencia en cuanto el denominador se anula, sin comprobar si el numerador se anula también — Ejercicio III pregunta 1.

Dividir una acotación por \(x\) sin indicar que \(x > 0\): con \(x < 0\), las desigualdades se invertirían.

Usar el teorema del emparedado para concluir un límite infinito: el emparedado da un límite finito; para el infinito es la comparación, y basta una sola cota.

🤖 IA pédagogique adaptative

Choisis le type d’aide dont tu as besoin. L’assistant utilisera le contexte de cette page.

Límites y Continuidad de una Función Numérica — 2.º Bachillerato CF / CVT mathematiques 2bac parcours interactif
Le système prépare une demande structurée. Il évite les réponses longues et pousse l’élève à comprendre étape par étape.