En matemàtiques, la noció de límit és força intuïtiva, malgrat la seva formulació abstracta. Amb l'objectiu de donar-ne una introducció simple, en aquest article es tracta només el cas de les successions de nombres reals i el cas de les funcions reals d'una variable real.
Límit d'una successió
Introducció Damarcus Jones Ai Chips
Les successions són les funcions amb domini de definició ℕ, o, a
vegades ℤ (sobretot en anàlisi de Fourier). Aquí tractarem només el
primer cas.
Ara, cada enter és un punt aïllat; en altres mots, no podem acostar-nos a
mitjançant diferents punts de ℕ.
Això implica que no es considera la idea de límit d'una successió en un enter finit: hi ha
de fet només el seu valor.
Considerem doncs només la noció de límit per a ; l'anomenarem
«límit de la successió».
Definició, convergència, divergència
Cas del límit finit : per a tot «descart de tolerància» existeix un «enter de confidència» tal que, per a tot n més gran que , el valor és prop de l per a menys de ε: .
Quan existeix, el límit l és únic; s'escriu llavors , i
es diu que tendeix (o també convergeix) cap a l.
Una successió que admet un límit finit és anomenada convergent. Hom té el teorema següent:
Cada successió convergent és fitada.
Cas del límit infinit: distingim dos casos:
A) i B) .
Per a cada « llindar de tolerància » cal que es pugui trobar un « enter de confidència »
a partir del qual els valors de
siguin superiors a i els
es mantinguin positius -en el cas A)- i negatius -en el cas B)-:
per a
per a .
A més, en el cas A) i en el cas B)
.
Se diu llavors que tendeix (o divergeix) a: A) , B) .
NB: Es parla de successió convergent només quan una successió admet un límit
finit, de successió divergent en els casos A) i B), de successió indeterminada
en tots els altres casos.
NB: Es pot també parlar de límit quan
. Això resumeix els casos A) i B) i, a més, el cas on
però els
poden canviar signe de manera arbitrària.
Sub-successions
Es parla de sub-successió de la successió quan se seleccionen "només uns quants"
elements de :
així es considera només una part de la informació. L'exemple més clàssic és aquell de les
sub-successions
dels termes de rang parell, i
dels termes de rang imparell.
Més generalment, es designa amb el terme « extracció » cada aplicació
estrictament creixent. Llavors una
sub-successió és una successió de la forma .
Una propietat important és que una successió admet límit (finit
o infinit) si i només si cada sub-successió admet el
mateix límit.
Linealitat del passatge al límit
L'operació de passatge al límit és lineal en el sentit següent :
si (xn) i (yn) són unes successions reals convergents i
tals que lim xn = L i lim yn = P, llavors
la successió (xn + yn) convergeix a L + P.
Si a és un nombre real, llavors la successió (axn) convergeix a L.
Així, el conjunt C de totes les successions reals convergents és un espai vectorial
real i l'operació de passatge al límit és una forma lineal real sobre C. Si
(xn) i (yn) són unes successions reals convergents amb
límits L i P respectivament, llavors la successió
(xnyn) convergeix a LP. Doncs l'espai
vectorial C és de fet una àlgebra real.
Si P no és 0, llavors es pot trobar tal que la successió (xn/yn), amb és bé definita i convergent amb límit L/P.
Cada successió convergent és fitada, puix que tots els termes, salvat un nombre finit, estan dins un interval al voltant del límit.
Si (xn) és una successió de reals, fitada damunt i creixent (-o també fitada davall i decreixent-), llavors és convergent.
Cada successió de Cauchy de nombres reals és convergent, o més simplement: el
conjunt dels nombres reals és complet.
Exemples
La successió (1/1, 1/2, 1/3, 1/4, ...) de nombres reals és convergent, amb límit 0.
La successió (3, 3, 3, 3, 3, ...) és convergent de límit 3.
La successió no és convergent, però les seves sub-successions i ho són.
La successió (1, -2, 3, -4, 5, ...) té límit .
La successió (1/2, 1/2 + 1/4, 1/2 + 1/4 + 1/8, 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16, ...) és convergent, amb límit 1. Aquesta successió és un exemple de sèrie geomètrica.
Si a és un nombre real de valor absolut |a| < 1, llavors la successió de terme general an té límit 0.
Si a >0, llavors la successió de terme general a1/n té límit igual a 1.
La successió convergeix a e i, per a tot nombre real (de fet complex) x, la successió convergeix a .
Límits de funcions
Convé distingir el cas del límit en un punt real finit i el cas del límit a l'infinit ("positiu" o "negatiu").
Si és una funció real de variable real i un punt
del domini de definició de f, es diu que és el límit de
en si :
intuïtivament, s'acosta a en la mesura que s'acosta a ;
amb més rigor, per a tot « descart de tolerància » es pot trobar un « descart de confidència » tal que, quan és prop de a menys de , llavors és prop de a menys de .
En símbols:
(il·lustració 1)
En altres mots, es pot fer tant prop de que se
vol, sobre un interval -si prou petit-, al voltant de .
En aquest cas, s'escriu .
Límits infinits
Pot també succeir que al punt la funció no hi hagi
límit finit, sinó infinit.
Això vol dir que, s'acostant a el valor de "s'acosta" a o a ; és a dir, esdeven grand[Cal aclariment] quant se vol en valor absolut i es manten de signe positiu (cas de ) o negatiu ().
La formulació matemàtica és llavors la següent : per a cada « llindar de tolerància »
es pot trobar un « descart de confidència » tal que, dès que és prop de a menys
de , llavors és major que
i es manten de signe constant:
i:
per al cas del límit , per al cas
del límit .
(il·lustració 2)
En altres mots, es pot fer tant prop de que
se vol, sobre un interval -si prou petit-, al voltant de .
En aquest cas s'escriu (o ).
Infinit sense signe
NB: També per a les funcions de variable real (però és més utilitzat a l'anàlisi complexa),
es pot parlar de límit , quan
. Això resumeix els casos i, a més, el cas on però pot canviar signe de manera arbitrària. Això
no pot succeir per a funcions contínues en .
Límits per l'esquerra, per la dreta
Pot succeir també que el comportament local de la funció sigui
different « per l'esquerra » de (és a dir per a les ) i
« per la dreta » de (és a dir per a les ). Per
exemple, una funció pot admetre un límit per la dreta i no per l'esquerra, o també admetre dos
límits diferents de cada costat.
(il·lustració 3)
Hom és doncs portat a introduir les nocions de límit per la dreta i per l'esquerra; la sola
diferència amb els límits « normals » és que la proximitat de amb
o és demanada només per a un costat de
. Les definicions i notacions corresponents esdevenen doncs :
per al límit per l'esquerra :
quan
quan
per al límit per la dreta :
quan
quan
Les nocions de límit per la dreta i per l'esquerra són menys resrictives que la noció clàssica
de límit « bilateral » : una funció pot tenir un límit per l'esquerra i un límit per la dreta sense tenir
un límit bilateral. De fet hom heu la propietat:
Una funció té un límit en un punt si i només si té un límit per l'esquerra i un límit per la dreta i aquests són iguals :
Límit d'una funció a l'infinit
Ara considerem el comportament d'una funció f -definida per a cada x prou gran en
valor absolut- « als límits » del domini de definició, sigui quan creix
indefinidament (límit en ), sigui quan decreix
indefinidament (límit en ).
Es pot notar que, en aquest context, la noció de límit per la dreta o per l'esquerra no heu sentit;
de fet els límits en són sempre uns límits per l'esquerra i els límits en
són sempre uns límits per la dreta.
Límits finits
Direm que la funció admet el límit finit en
si s'acosta a en la mesura
que esdeven més gran (o « tendeix a »).
Matemàticament, això és traduït mitjançant el fet que, per a tot « descart de tolerància »
es pot trobar una « llindar de confidència » després de la qual la nostra funció
prendrà valors dintre de l'interval de tolerància, de centre i radi
, és a dir:
En altres mots, es pot fer tant prop de que se
vol, a partir d'una llindar convenient, és a dir prou gran. En aquest cas s'escriu
.
Tot això s'adapta senzillament al cas del límit en : es diu que
tendeix a quan tendeix a
si per a tot descart es pot trobar una
llindar tal que: , i s'escriurà .
Límits infinits
Direm que la funció admet el límit en
si esdevé arbitràriament gran
en la mesura que esdevé més gran (o « tendeix a
»). De més, resta amb signe positiu
() o negatiu () per a tals x. La
permanència del signe no és demanada si hom parla només de límit
.
Matemàticament, això es tradueix mitjançant el fet que, per a tot « llindar de tolerància »
es pot trobar un «llindar de confidència»
després del qual la nostra funció prendrà valors dintre de l'interval de tolerància, és a dir
(cas
), (cas ) o
(cas ).
(il·lustració 5)
En altres mots, es pot fer tant prop de (o
) que se vol, a partir d'una llindar convenient, és a dir prou gran.
En aquest cas s'escriu o .
Tot això s'adapta senzillament al cas del límit en : direm que la
funció admet el límit en
si esdeven arbitràriament gran
en la mesura que esdeven més gran en valor absolut, mes ha signe
negatiu (o « tendeix a »). De més, resta amb
signe positiu () o negatiu () per a tals x.
La permanència del signe no és demanada si hom parla només de límit
.
Matemàticament, això es tradueix mitjançant el fet que, per a tot « llindar de tolerància »
es pot trobar un « llindar de confidència »
abans del qual la nostra funció
prendrà valors dintre de l'interval de tolerància, és a dir (cas
), (cas ) o
(cas ).
(il·lustració 6)
En altres mots, es pot fer tant prop de (o
) que se vol, a partir d'una llindar convenient, és a dir prou gran.
En aquest cas s'escriu o .
L'operació de passatge al límit (o al límit per la dreta/esquerra) és lineal també per a les
funcions de variable real, en el sentit següent: sigui x0 un punt de la dreta
real acabada, és a dir un nombre real finit o .
Si f i g són unes funcions de variable real que admeten límits L i P a x0, llavors també la funció f+g hi admet límit, i aquest límit és L+P.
Si a és un nombre real, llavors la funció a f admet límit a x0, i aquest límit és aL.
Així, el conjunt K de totes les funcions que admeten límit a x0 és un
espai vectorial real i l'operació de passar al límit és una forma lineal real sobre K.
Si f i g són unes funcions de variable real que admeten límits L i P a x0,
llavors també la funció fg hi admet límit, i aquest límit és LP, així l'espai vectorial K es de fet
una àlgebra real.
Si P no és 0, llavors es pot trobar
un interval al voltant de x0 on f/g està ben definida; el seu límit a
x0 és L/P.
Exemples
El límit de quan x tendeix a és igual a 0.
Clau de la demostració per a : si , llavors .
El límit per la dreta de quan x tendeix a 0 (0+) és .
Clau de la demostració: si , llavors .
El límit per l'esquerra de quan x tendeix a 0 (0-) és .
El límit (bilateral) de quan x tendeix a 0 és sense signe, és a dir tendeix a 0 quan x tendeix a 0, puix que . Recordeu que
El límit de quan x tendeix a 3 és igual a 9 (En aquest cas la funció és definita i contínua en aquest punt, i el valor de la funció és igual al seu límit).
Clau de la demostració: si , llavors .
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 1.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 2a.
El límit per la dreta de quan x tendeix a 0 és igual a 1; el límit per l'esquerra és igual a -1.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 1.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 0.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a -1/2.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 2.
El límit de quan x tendeix a 0 és igual a 1.
Lligam entre els límits de successions i de funcions
Es pot provar que per a cada successió tal que , és a dir per a cada successió convergent a .