Forma indeterminata

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Nella matematica, e in particolare nel calcolo infinitesimale, le scritture:[1]

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

individuano le cosiddette forme indeterminate, che sono collezioni di funzioni di una variabile reale esprimibili componendo (mediante una moltiplicazione, una divisione o un elevamento a potenza) due funzioni di variabile reale f(x) e g(x) aventi un determinato comportamento quando la variabile tende a un valore finito o infinito di aderenza per entrambi i domini delle funzioni.

Consideriamo in particolare la prima delle forme sopra introdotte; la funzione

{f(x) \over g(x)}

relativamente al tendere della variabile x ad un opportuno elemento x0 dell'insieme dei reali esteso \R^* = \R \cup \{-\infty,+\infty\}, si attribuisce alla forma \frac{0}{0} se f(x) e g(x) tendono entrambe a 0 quando x tende a x0.

Può accadere che questa funzione rapporto si avvicini a un qualsiasi numero reale, a +∞ o a −∞, oppure che non riesca a convergere ad alcun punto sulla retta reale estesa; il suo comportamento dipende dalle caratteristiche delle funzioni f e g in vicinanza di x0. Ad esempio:

\lim_{x\rightarrow 0}{\sin(x)\over x}=1

mentre:

\lim_{x\rightarrow 49}{x-49\over\sqrt{x}\,-7}
=\lim_{x\rightarrow 49}{(\sqrt{x}\,-7)(\sqrt{x}\,+7)\over\sqrt{x}\,-7} = 14

La sostituzione diretta delle funzioni a numeratore e a denominatore con i corrispondenti limiti per entrambe i precedenti rapporti porta ad attribuire la funzione alla forma indeterminata 0/0, mentre i limiti di entrambi i rapporti esistono effettivamente e sono uguali a 1 e 14 rispettivamente.

Per altri rapporti che appartengono alla stessa forma indeterminata il limite non esiste.

Osservazioni simili valgono per le altre forme indeterminate indicate in precedenza.

In molti casi, qualche semplificazione algebrica, la regola di de L'Hôpital, o altri metodi possono essere usati per semplificare l'espressione fino ad un punto nel quale si riesce a valutare il limite.

Il calcolo dei limiti notevoli può essere inoltre svolto o semplificato grazie alla stima asintotica.

Risoluzione con la regola di de l'Hôpital[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Regola di de l'Hôpital.

La regola di de l'Hôpital permette di risolvere direttamente le forme indeterminate sotto forma di quoziente, ovvero \frac{0}{0} e \frac{\infty}{\infty}. In pratica si procede derivando il numeratore e il denominatore. Se esiste il limite di questo nuovo quoziente, allora esisterà anche il limite del quoziente originale e i due limiti sono uguali. Se invece il nuovo quoziente converge a sua volta ad una forma indeterminata, si può ripetere l'operazione calcolando la seconda derivata e così via. La non esistenza del limite del quoziente delle derivate comunque non implica la non esistenza del limite del quoziente originale.

Nel caso in cui ci si trovi davanti ad una forma indeterminata che non sia sotto forma di quoziente, è possibile applicare la regola di de l'Hôpital previa trasformazione della forma indeterminata in un quoziente.

In particolare, la tabella seguente mostra le varie trasformazioni che si applicano per risolvere forme di indeterminazione con il teorema di De l'Hopital:

Forma Condizione Risultati Trasformazione
\lim f(x)/g(x) \lim f(x)=0, \lim g(x)=0 \frac{0}{0} non necessaria
\lim f(x)/g(x) \lim f(x)=\pm\infty, \lim g(x)=\pm\infty \pm\frac{\infty}{\infty} non necessaria
\lim f(x)\cdot g(x) \lim f(x)=0, \lim g(x)=\pm\infty 0\cdot\infty \lim \frac{f(x)}{1/g(x)}

oppure \lim \frac{g(x)}{1/f(x)}

\lim f(x)^{g(x)} \lim f(x)=1, \lim g(x)=\infty 1^{\infty} e^{(\lim \frac{\ln f(x)}{1/g(x)})}
\lim f(x)^{g(x)} \lim f(x)=0, \lim g(x)=0[2] 0^0 e^{(\lim \frac{\ln f(x)}{1/g(x)})}
\lim f(x)^{g(x)} \lim f(x)=\infty, \lim g(x)=0 \infty^0 e^{(\lim \frac{\ln f(x)}{1/g(x)})}
\lim (f(x)-{g(x))} \lim f(x)= + \infty, \lim g(x)= + \infty +\infty-\infty \ln (\lim \frac{e^{f(x)}}{e^{g(x)}})

Limite notevole del tipo \infty \over \infty[modifica | modifica wikitesto]

Consideriamo la successione:

{P_p(n) \over Q_q(n)} = {{a_pn^p + a_{p-1}n^{p-1}+ ... +a_1n + a_0} \over {b_qn^q + b_{q-1}n^{q-1}+ ... +b_1n + b_0}}

quoziente di due polinomi di grado p e q. Vogliamo studiare il caso in cui si presenta una forma indeterminata \infty \over \infty .

Raccogliendo n^p al numeratore e n^q al denominatore si ha:

 n ^ {p-q} {{a_p + a_{p-1}n^{-1} + ... +a_1n^{1-p}+a_0n^{-p}} \over {b_q + b_{q-1}n^{-1} + ... +b_1n^{1-q}+b_0n^{-q}}}

cioè:

 n^ {p-q}c_n

dove:

c_n = {{a_p + a_{p-1}n^{-1} + ... +a_1n^{1-p}+a_0n^{-p}} \over {b_q + b_{q-1}n^{-1} + ... +b_1n^{1-q}+b_0n^{-q}}}

poiché n^{-k} \rightarrow 0 qualunque sia k \in \N non nullo si ha:

a_n = {{P_p(n)} \over {Q_q(n)}} vale:
  • {a_p \over b_q} \ \mathbf{se} \ p = q
  • \mathrm{segno} \left( {a_p \over b_q} \right) \infty \ \mathbf{se} \ p > q
  • 0 \ \mathbf{se} \ p < q

poiché  n ^ {p-q} vale:

  • 1 \ \mathbf{se} \ p = q
  • + \infty \ \mathbf{se} \ p \ge q
  • 0 \ \mathbf{se} \ p \le q

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Il simbolo \infty, senza segno davanti è qui da leggersi "\pm\infty", cioè "+\infty oppure -\infty", mentre il simbolo +\infty indica solo "più infinito". Ad esempio la forma "\frac{\infty}{\infty}" è da leggersi: "\frac{+\infty}{+\infty} oppure \frac{+\infty}{-\infty} oppure \frac{-\infty}{+\infty} oppure \frac{-\infty}{-\infty}". Con questa convenzione, la forma "+\infty-\infty" va scritta col segno davanti, in quanto "+\infty-\infty" è una forma indeterminata, ma "-\infty-\infty" non è una forma indeterminata, quindi, in questo caso, il segno "+" davanti al simbolo di infinito è necessario.
  2. ^ sci.math FAQ: What is 0^0?

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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