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Error al evaluar$ \lim_{x\to 0}\frac{x-\tan x}{x^3} $

Evaluar el límite: $$ \lim_{x\to 0}\frac{x-\tan x}{x^3} $$

He resuelto como esta,

$$ \lim_{x\to 0} \left({1\over x^2} - \frac{\tan x}{x^3}\right) =\lim_{x\to 0}\left({1\over x^2} - {\tan x\sobre x}\cdot {1\over x^2}\right) $$

Ahora el uso de la propiedad $$ \lim_{x\to 0} \frac{\tan x}{x}=1 $$

tenemos:

$$ \lim_{x \to 0} \left(\frac{1}{x^2} - \frac{1}{x^2}\right)=0 $$

Por favor explique mi error! ¿Cómo puedo evitar tales errores? Tengo la solución correcta. Todo lo que quiero saber es lo que hice mal aquí?

Nota: el inglés es mi segunda lengua.

7voto

Git Gud Puntos 26292

La explicación que estás buscando es este. Usted está implícitamente el uso de las propiedades de $\lim\limits (f+g)=\lim\limits(f)+\lim\limits(g)$ e $\lim\limits (fg)=\lim\limits(f)\lim\limits(g)$, pero esto es cierto sólo cuando todos los límites en estas igualdades existe, (descargo de responsabilidad: hay supuestos importantes que no voy a escribir pero que debe acompañar a estas propiedades). Más específicamente, lo que hizo (implícitamente) fue: $$ \begin{align} \lim\limits_{x\to 0} \left({1\over x^2} - \frac{\tan x}{x^3}\right) &=\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2} - {\tan x\over x}\cdot {1\over x^2}\right)\\ &=\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2}\right) + \lim\limits_{x\to 0}\left(- {\tan x\over x}\cdot {1\over x^2}\right) \tag{Incorrect}\\ &=\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2}\right) - \lim\limits_{x\to 0}\left( {\tan x\over x}\right)\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2}\right) \tag{Incorrect}\\ &=\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2}\right) - \lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2}\right) \tag{*}\\ &=\lim\limits_{x\to 0}\left({1\over x^2} - {1\over x^2}\right) \tag{Incorrect}\\ &=0 \tag{**} \end{align} $$

$(\text*)\text{ As correct as something meaningless can be}$
$(\text{**})\text{ Actually correct, but it's too late}$

Usted no puede simplemente reemplazar el valor del límite interior sin necesidad de utilizar el anterior razonamiento o algo que terminará por no trabajar.

5voto

dmay Puntos 415

Aunque, de hecho, $\lim_{x\to0}\frac{\tan x}x=1$ , no puede deducir de eso que $$\lim_{x\to0}\frac1{x^2}-\frac{\tan x}x\times\frac1{x^2}=\lim_{x\to0}\frac1{x_2}-\frac1{x^2}.$ $

En este caso, la regla de L'Hopital es el camino a seguir: \begin{align}\lim_{x\to0}\frac{x-\tan x}{x^3}&=\lim_{x\to0}\frac{-\tan^2x}{3x^2}\\&=-\frac13\left(\lim_{x\to0}\frac{\tan x}x\right)^2\\&=-\frac13.\end {align}

5voto

Yves Daoust Puntos 30126

A la derecha, $$\lim_{x\to0}\frac{\tan x}x=1.$$

Pero eso no significa que usted puede reemplazar a $\dfrac{\tan x}x$ por $1$ dentro del límite !

En realidad,

$$\frac{\tan x}x=1+f(x)\ne1$$ and the function $f$ puede devolver el golpe.


El "contraatacando" obras como esta:

  • restando $1$ de $\dfrac{\tan x}x$ de los aislamientos $f(x)$.

  • luego dividiendo por $x^2$ "amplifica", dando al término de $\dfrac{f(x)}{x^2}$. Resulta que $f(x)$ tiene una doble raíz en $x=0$, por lo que la fracción de llevar un número finito de contribución, pero podría muy bien haber sido ilimitada.

2voto

Marty Puntos 103

Aquí todo el mundo está correctamente señalando que no se puede utilizar $\displaystyle \lim_{x\to 0} \dfrac{\tan x}{x}=1$, pero no ha declarado por eso es que.

Ahora déjeme que se lo explique.

Antes de continuar me gustaría aclarar un hecho.

Deje $f(x)$ e $g(x)$ dos funciones tales que $\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=l$ e $\displaystyle \lim_{x\to a} g(x)=m$ a continuación,

$$\displaystyle \lim_{x\to a}\left(f(x)\pm g(x)\right) =l\pm m $$

Pero a la inversa es decir,

$$l\pm m = \displaystyle \lim_{x\to a}\left(f(x)\pm g(x)\right)\ \ \ ....(1)$$

no puede ser cierto.

He marcado esto como $(1)$ debido a que me referiré más adelante.

Hizo esto

$$ \lim_{x\to 0} \left({1\over x^2} - \frac{\tan x}{x^3}\right) =\lim_{x\to 0}\left({1\over x^2} - {\tan x\sobre x}\cdot {1\over x^2}\right) $$

Todo parece bien uptill aquí. Ahora usted desea utilizar este establecimiento $\displaystyle \lim_{x\to 0} \dfrac{\tan x}{x}=1$

Así que usted tendrá que dividir esta expresión como esta.

$$ \lim_{x\to 0}\left({1\over x^2} - {\tan x\sobre x}\cdot {1\over x^2}\right) $$

$$\implies \lim_{x\to 0}{1\over x^2} - \lim_{x\to 0}\left({\tan x\over x}\cdot {1\over x^2}\right) $$

$$\implies \lim_{x\to 0}{1\over x^2} - \lim_{x\to 0}{\tan x\over x}\cdot\lim_{x\to 0} {1\over x^2} $$

Ahora usted puede utilizar $\displaystyle \lim_{x\to 0} \dfrac{\tan x}{x}=1$ para obtener este

$$ \lim_{x \to 0}\frac{1}{x^2} - \lim_{x \to 0}\frac{1}{x^2}$$

Al llegar a esta etapa, se hizo este paso

$$ \lim_{x \to 0} \left(\frac{1}{x^2} - \frac{1}{x^2}\right) $$

Pero esto es incorrecto, como ya he indicado en el punto (1) anterior.

Ahora que había por qué es que. Es porque

$$\lim_{x\to 0}{\tan x\over x}\cdot\lim_{x\to 0} {1\over x^2} \neq \lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} $$

pero

$$\lim_{x\to 0}{\tan x\over x}\cdot\lim_{x\to 0} {1\over x^2} = 1.00000000000..........0001 \cdot \lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} $$

Este número está tan cerca de $1$ que hemos aproximado a $1$.

Por lo tanto

$$\lim_{x\to 0}{1\over x^2} - \lim_{x\to 0}{\tan x\over x}\cdot\lim_{x\to 0} {1\over x^2} = \lim_{x\to 0} {1\over x^2} - 1.00000000000..........0001 \lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x^2} $$

Por eso dije en el punto de $(1)$ las converse no puede ser cierto.

Si usted evaluar correctamente el límite como @Jose Carlos Santos y @romano hizo. Usted encontrará la respuesta a la se $-\dfrac{1}{3}$.

Claramente se puede notar que esta respuesta es negativa, debido a que $$1.00000000000..........0001 \lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} > \lim_{x\to 0} {1\over x^2} $$

1voto

Fr33dan Puntos 106

Se ha demostrado en otras respuestas exactamente lo que salió mal con su enfoque.

Como una alternativa de considerar la expansión de Taylor de la función en el límite alrededor de $0$. Se sabe que: $$ \tan x \sim x + {x^3 \más de 3} + O(x^5) $$

Tenga en cuenta que: $$ \frac{\tan x}{x} \sim {1\over x}\left(x + {x^3 \más de 3} + O(x^5)\right) = 1 + {x^2\más de 3} + O(x^4) $$

Por lo tanto, como señaló Yves Daoust: ${\tan x \over x} = 1 + f(x)$.

El uso de este límite se convierte en: $$ \lim_{x\to0} \frac{x - \tan x}{x^3} \sim \lim_{x\to0}\frac{x - x - {x^3\más de 3}}{x^3} = -{1\over 3} $$

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