8 votos

$\lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x^2}$ utilizando sólo las reglas del álgebra de límites.

Me gustaría resolver ese límite resuelto utilizando sólo las reglas del álgebra de límites.

$$\lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x^2}$$

Todas las respuestas en Cómo encontrar a $\lim\limits_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x^2}$ sin utilizar la regla de l'Hospital, ni cualquier expansión de la serie? no tienen plenamente en cuenta mi pregunta.

Un difícil problema de límite para el nivel del alumno que sepa que: $$\begin{align*} \lim\limits_{x\to +\infty} e^x&=+\infty\tag1\\ \lim\limits_{x\to -\infty} e^x&=0\tag2\\ \lim\limits_{x\to +\infty} \frac{e^x}{x^n}&=+\infty\tag3\\ \lim\limits_{x\to -\infty} x^ne^x&=0\tag4\\ \lim\limits_{x\to 0} \frac{e^x-1}{x}&=1\tag5 \end{align*}$$

23voto

ki3i Puntos 3824

$$ \lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^x-1-x}{x^2} = \lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{e^x+1+x}\right)\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^{2x}-(1+x)^2}{x^2} = \dfrac{1}{2}\lim\limits_{x\to 0}\left(4\dfrac{e^{2x}-1-2x}{4x^2}-1\right) = 2\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{e^{2x}-1-2x}{4x^2}\right)-\dfrac{1}{2} = 2\lim\limits_{x\to 0}\left(\dfrac{e^x-1-x}{x^2}\right)-\dfrac{1}{2}. $$

Por lo tanto,

$$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{e^x-1-x}{x^2} = \dfrac{1}{2}\,.$$


Esto puede extenderse de una manera natural. Definir $s_{n}(x):=\sum\limits_{k=0}^{n-1}\dfrac{x^k}{k!}$ y observar el siguiente: $$ \begin{eqnarray*} \lim_{x\to0}\dfrac{e^x-s_{n}(x)}{x^n} &=& \lim_{x\to0}\left(\dfrac{1}{\sum\limits_{r=0}^{n-1}e^{rx}(s_n(x))^{n-1-r}}\right)\lim_{x\to0}\dfrac{e^{nx}-(s_n(x))^n}{x^n} \\ &&\ \\ \ \\ &=& \dfrac{1}{n}\left(\lim_{x\to0}\dfrac{e^{nx}-s_n(nx)-\frac{n^{n-1}-1}{(n-1)!}x^n-o(x^n)}{x^n}\right)\\ &&\ \\ \ \\&=& n^{n-1}\lim_{x\to0}\left(\dfrac{e^{nx}-s_n(nx)}{(nx)^n}\right)-\frac{n^{n-1}-1}{n!}\,, \end{eqnarray*} $$

donde, después de la expansión, el polinomio $(s_n(x))^n = s_n(nx) + \frac{n^{n-1}-1}{(n-1)!}x^n + o(x^n)$. En consecuencia,

$$ \lim_{x\to0}\dfrac{e^x-s_n(x)}{x^n} = \dfrac{1}{n!}\,. $$


Los anteriores argumentos requieren de la existencia de los límites principales de ser buscados. Dado que nuestro hipotético alumno no está armado con un sofisticado $\epsilon, \delta$ técnicas de análisis, es difícil ver cómo se podría proceder en la demostración de la existencia. En efecto, ¿cómo es que este alumno siquiera saben lo que es un límite, y no digamos la algebraica de las leyes que siguen por definición? Sin embargo, con estas preocupaciones en mente, podríamos al menos permitir a nuestros estudiantes con uno más, el átomo de la información: el intercambio de los límites para la clase particular de funciones que nos interesan aquí. Por lo tanto, nuestro alumno procede, un tanto mecánica, como sigue:

$$ \begin{eqnarray*} \lim\limits_{x\to 0}\frac{e^{x}-s_n(x)}{x^n} &=& \lim\limits_{x\to 0}\lim\limits_{y\to 0}\frac{\left(e^{y}(\frac{e^{x}-1}{x})-\frac{1}{x}\Big(s_n(x+y)-s_n(y)\Big)\right)}{\Big(\sum\limits_{r=0}^{n-1}(x+y)^r y^{n-1-r}\Big)} \\ &&\ \\&=& \lim\limits_{y\to 0}\lim\limits_{x\to 0}\frac{\left(e^{y}(\frac{e^{x}-1}{x})-\frac{1}{x}\Big(s_n(x+y)-s_n(y)\Big)\right)}{\Big(\sum\limits_{r=0}^{n-1}(x+y)^r y^{n-1-r}\Big)} \\ &&\ \\&=& \frac{1}{n}\lim\limits_{y\to 0}\frac{\left(e^{y}-s_{n-1}(y)\right)}{y^{n-1}}\,. \end{eqnarray*}$$

Así, mediante la aplicación sucesiva de estos intercambios, nuestro alumno deduce

$$ \lim\limits_{x\to 0}\frac{e^{x}-s_n(x)}{x^n} = \frac{1}{n!}\,. $$

9voto

Yves Daoust Puntos 30126

$$\left(\frac{e^x-1}x\right)^2=\frac{e^{2x}-2e^x+1}{x^2}=2^2\frac{e^{2x}-1-2x}{(2x)^2}-2\frac{e^x-1-x}{x^2}.$$

Luego, tomando el límite,

$$1=4L-2L.$$


ACTUALIZACIÓN: el mismo enfoque puede ser utilizado para el siguiente pedido,

$$\left(\frac{e^x-1}x\right)^3=\frac{e^{3x}-3e^{2x}+3e^x-1}{x^3}=3^3f(3x)-3\cdot2^3(2x)+3f(x),$$ donde $f(x)=\dfrac{e^x-1-x-\dfrac{x^2}2}{x^3},$ y $$1=27L-24L+3L.$$

-2voto

maxuel Puntos 179

$$e^x=1+x+\frac{1}{2}x^2+o(x^2)_{x\to0}\\ \lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{1+x+\frac{1}{2}x^2+o(x^2)-1-x}{x^2}= \lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}x^2+o(x^2)}{x^2}=\frac{1}{2}+0 $$ ($f=o(x^2)\Leftrightarrow\lim_{x\to0}\frac{f(x)}{x^2}=0$)

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