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Limites Difíceis: Exponenciais, Trigonometria e Funções Inversas

🧩 Exercício 1 Difícil

Calcule ou mostre que não existe. Não utilize qualquer artifício que envolva derivação.

(a) Calcule

lim⁡x→021x−121x+1.\lim_{x\to 0} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1}.

(b) Calcule

lim⁡x→01−cos⁡2xx2arccos⁡(senh⁡x).\lim_{x\to 0} \frac{1-\cos^2x} {x^2\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)}.

Item (a)​

Queremos calcular

L=lim⁡x→021x−121x+1.L= \lim_{x\to 0} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1}.

O ponto fundamental é perceber que, quando x→0x\to0, o comportamento de 1x\frac{1}{x} é diferente dependendo do lado pelo qual nos aproximamos.

Aproximação pela direita​

Se

x→0+,x\to0^+,

então

1x→+∞.\frac{1}{x}\to+\infty.

Como 2>12>1,

21x→+∞.2^{\frac{1}{x}}\to+\infty.

Dividindo numerador e denominador por 21/x2^{1/x}, obtemos

21x−121x+1=1−121/x1+121/x.\frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} = \frac{ 1-\frac{1}{2^{1/x}} }{ 1+\frac{1}{2^{1/x}} }.

Como

21/x→+∞,2^{1/x}\to+\infty,

temos

121/x→0.\frac{1}{2^{1/x}}\to0.

Portanto,

lim⁡x→0+21x−121x+1=1−01+0=1.\lim_{x\to0^+} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} = \frac{1-0}{1+0} = 1.

Assim,

lim⁡x→0+21x−121x+1=1.\boxed{ \lim_{x\to0^+} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} =1 }.

Aproximação pela esquerda​

Agora consideremos

x→0−.x\to0^-.

Nesse caso,

1x→−∞.\frac{1}{x}\to-\infty.

Consequentemente,

21x→0.2^{\frac{1}{x}}\to0.

Substituindo esse comportamento na expressão:

lim⁡x→0−21x−121x+1=0−10+1=−1.\lim_{x\to0^-} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} = \frac{0-1}{0+1} = -1.

Logo,

lim⁡x→0−21x−121x+1=−1.\boxed{ \lim_{x\to0^-} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} =-1 }.

Os limites laterais são diferentes:

lim⁡x→0+f(x)=1\lim_{x\to0^+}f(x)=1

e

lim⁡x→0−f(x)=−1.\lim_{x\to0^-}f(x)=-1.

Portanto, o limite bilateral não existe.

lim⁡x→021x−121x+1 na˜o existe\boxed{ \lim_{x\to0} \frac{2^{\frac{1}{x}}-1} {2^{\frac{1}{x}}+1} \text{ não existe} }

O ponto central dessa questão é que não podemos simplesmente substituir x=0x=0. O comportamento de 1x\frac{1}{x} precisa ser analisado separadamente nos dois lados da origem.


Item (b)​

Considere

L=lim⁡x→01−cos⁡2xx2arccos⁡(senh⁡x).L= \lim_{x\to0} \frac{1-\cos^2x} {x^2\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)}.

Primeiramente, utilizamos a identidade trigonométrica

1−cos⁡2x=sen⁡2x.1-\cos^2x=\operatorname{sen}^2x.

Assim,

L=lim⁡x→0sen⁡2xx2arccos⁡(senh⁡x).L= \lim_{x\to0} \frac{\operatorname{sen}^2x} {x^2\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)}.

Podemos separar os fatores:

L=lim⁡x→0(sen⁡xx)2⋅1arccos⁡(senh⁡x).L= \lim_{x\to0} \left( \frac{\operatorname{sen}x}{x} \right)^2 \cdot \frac{1} {\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)}.

Agora analisamos cada parte.

Primeiro fator​

Pelo limite trigonométrico fundamental,

lim⁡x→0sen⁡xx=1.\lim_{x\to0} \frac{\operatorname{sen}x}{x}=1.

Portanto,

lim⁡x→0(sen⁡xx)2=1.\lim_{x\to0} \left( \frac{\operatorname{sen}x}{x} \right)^2 =1.

Segundo fator​

Sabemos que

lim⁡x→0senh⁡x=0.\lim_{x\to0}\operatorname{senh}x=0.

Como a função arccos⁡x\operatorname{arccos}x é contínua em x=0x=0,

lim⁡x→0arccos⁡(senh⁡x)=arccos⁡(0).\lim_{x\to0} \operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x) = \operatorname{arccos}(0).

Como

arccos⁡(0)=π2,\operatorname{arccos}(0)=\frac{\pi}{2},

temos

lim⁡x→0arccos⁡(senh⁡x)=π2.\lim_{x\to0} \operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x) = \frac{\pi}{2}.

Consequentemente,

lim⁡x→01arccos⁡(senh⁡x)=2π.\lim_{x\to0} \frac{1} {\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)} = \frac{2}{\pi}.

Finalmente,

L=1⋅2π.L = 1\cdot\frac{2}{\pi}.

Portanto,

lim⁡x→01−cos⁡2xx2arccos⁡(senh⁡x)=2π.\boxed{ \lim_{x\to0} \frac{1-\cos^2x} {x^2\operatorname{arccos}(\operatorname{senh}x)} = \frac{2}{\pi} }.

🧩 Exercício 2 Difícil

(a) Determine, sem utilizar qualquer artifício que envolva derivação, o valor da constante real pp para que o limite abaixo exista e seja finito. Calcule também o valor desse limite.

lim⁡x→01+x−(1+px)x2.\lim_{x\to0} \frac{\sqrt{1+x}-(1+px)} {x^2}.

(b) Prove ou dê um contraexemplo para a afirmação:

Se

lim⁡x→0f(x)2\lim_{x\to0}f(x)^2

existe e é finito, então

lim⁡x→0f(x)\lim_{x\to0}f(x)

também existe e é finito.

Item (a)​

Considere

L=lim⁡x→01+x−(1+px)x2.L= \lim_{x\to0} \frac{\sqrt{1+x}-(1+px)} {x^2}.

Como há uma diferença envolvendo uma raiz quadrada, vamos racionalizar o numerador.

Multiplicamos numerador e denominador pelo conjugado:

L=lim⁡x→0[1+x−(1+px)][1+x+(1+px)]x2[1+x+(1+px)].L= \lim_{x\to0} \frac{ \left[\sqrt{1+x}-(1+px)\right] \left[\sqrt{1+x}+(1+px)\right] } {x^2\left[\sqrt{1+x}+(1+px)\right]}.

No numerador, utilizamos diferença de quadrados:

(1+x)2−(1+px)2.\left(\sqrt{1+x}\right)^2-(1+px)^2.

Assim,

L=lim⁡x→01+x−(1+px)2x2[1+x+(1+px)].L= \lim_{x\to0} \frac{ 1+x-(1+px)^2 } {x^2\left[\sqrt{1+x}+(1+px)\right]}.

Desenvolvendo o quadrado:

(1+px)2=1+2px+p2x2.(1+px)^2 = 1+2px+p^2x^2.

Logo,

1+x−(1+px)2=1+x−1−2px−p2x2.1+x-(1+px)^2 = 1+x-1-2px-p^2x^2.

Portanto,

1+x−(1+px)2=(1−2p)x−p2x2.1+x-(1+px)^2 = (1-2p)x-p^2x^2.

Substituindo:

L=lim⁡x→0(1−2p)x−p2x2x2[1+x+(1+px)].L= \lim_{x\to0} \frac{ (1-2p)x-p^2x^2 } {x^2\left[\sqrt{1+x}+(1+px)\right]}.

Colocando xx em evidência no numerador:

L=lim⁡x→0(1−2p)−p2xx[1+x+(1+px)].L= \lim_{x\to0} \frac{ (1-2p)-p^2x } {x\left[\sqrt{1+x}+(1+px)\right]}.

Para que o limite seja finito, o termo

1−2px\frac{1-2p}{x}

não pode permanecer na expressão.

Portanto, necessariamente,

1−2p=0.1-2p=0.

Assim,

p=12.\boxed{p=\frac{1}{2}}.

Agora substituímos esse valor na expressão original racionalizada:

L=lim⁡x→0−14x2x2[1+x+(1+x2)].L= \lim_{x\to0} \frac{ -\frac14x^2 } {x^2\left[\sqrt{1+x}+\left(1+\frac{x}{2}\right)\right]}.

Cancelando x2x^2:

L=lim⁡x→0−141+x+1+x2.L= \lim_{x\to0} \frac{-\frac14} {\sqrt{1+x}+1+\frac{x}{2}}.

Pela substituição direta,

L=−141+1.L= \frac{-\frac14} {1+1}.

Portanto,

L=−18.\boxed{L=-\frac18}.

Assim, o único valor de pp que torna o limite finito é

p=12,\boxed{p=\frac12},

e, para esse valor,

lim⁡x→01+x−(1+x2)x2=−18.\boxed{ \lim_{x\to0} \frac{\sqrt{1+x}-(1+\frac{x}{2})} {x^2} = -\frac18 }.

Item (b)​

A afirmação é falsa.

Para construir um contraexemplo, precisamos de uma função cujo quadrado tenha limite, enquanto a própria função não tenha limite.

Considere a função definida por

f(x)={1,x∈Q,−1,x∉Q.f(x)= \begin{cases} 1, & x\in\mathbb{Q},\\ -1, & x\notin\mathbb{Q}. \end{cases}

Ou seja, f(x)f(x) vale 11 quando xx é racional e −1-1 quando xx é irracional.

Para qualquer xx,

f(x)2=1.f(x)^2=1.

Portanto,

lim⁡x→0f(x)2=lim⁡x→01=1.\lim_{x\to0}f(x)^2 = \lim_{x\to0}1 = 1.

Assim, o limite de f(x)2f(x)^2 existe e é finito.

Entretanto, o limite de f(x)f(x) não existe.

De fato, existem números racionais arbitrariamente próximos de 00 e também números irracionais arbitrariamente próximos de 00.

Pelos racionais,

f(x)=1,f(x)=1,

portanto,

lim⁡x→0x∈Qf(x)=1.\lim_{\substack{x\to0\\x\in\mathbb{Q}}}f(x)=1.

Pelos irracionais,

f(x)=−1,f(x)=-1,

portanto,

lim⁡x→0x∉Qf(x)=−1.\lim_{\substack{x\to0\\x\notin\mathbb{Q}}}f(x)=-1.

Como os limites obtidos por esses dois conjuntos de pontos são diferentes,

1≠−1,1\neq-1,

o limite de f(x)f(x) não existe.

Consequentemente,

lim⁡x→0f(x)2 existe, mas lim⁡x→0f(x) na˜o existe.\boxed{ \lim_{x\to0}f(x)^2 \text{ existe, mas } \lim_{x\to0}f(x) \text{ não existe}. }

Portanto, a afirmação proposta é falsa.


🧩 Exercício 3 Difícil

Seja

f:R+→R+f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+

uma função diferenciável em seu domínio. Considere que, para quaisquer dois números xx e yy do domínio de ff,

f(x)f(yf(x))=f(x+y).f(x)f(yf(x))=f(x+y).

Considere também que

lim⁡x→0+f(x)−1x=k,k∈R−.\lim_{x\to0^+}\frac{f(x)-1}{x}=k, \qquad k\in\mathbb{R}_-.

Determine:

(a)​

lim⁡x→0+f(x).\lim_{x\to0^+}f(x).

(b)​

lim⁡x→0+f(x)2f′(x).\lim_{x\to0^+}\frac{f(x)^2}{f'(x)}.

Item (a)​

É dado que

lim⁡x→0+f(x)−1x=k,\lim_{x\to0^+}\frac{f(x)-1}{x}=k,

onde kk é um número real finito.

Podemos escrever

f(x)−1=xf(x)−1x.f(x)-1 = x\frac{f(x)-1}{x}.

Tomando o limite quando x→0+x\to0^+:

lim⁡x→0+[f(x)−1]=lim⁡x→0+xf(x)−1x.\lim_{x\to0^+}[f(x)-1] = \lim_{x\to0^+} x\frac{f(x)-1}{x}.

Como

lim⁡x→0+x=0\lim_{x\to0^+}x=0

e

lim⁡x→0+f(x)−1x=k,\lim_{x\to0^+}\frac{f(x)-1}{x}=k,

temos

lim⁡x→0+[f(x)−1]=0.\lim_{x\to0^+}[f(x)-1]=0.

Portanto,

lim⁡x→0+f(x)=1.\boxed{ \lim_{x\to0^+}f(x)=1 }.

Item (b)​

A partir da equação funcional,

f(x)f(yf(x))=f(x+y),x,y>0,f(x)f(yf(x))=f(x+y), \qquad x,y>0,

obtemos

f(x+y)−f(x)=f(x)[f(yf(x))−1].f(x+y)-f(x) = f(x)\left[f(yf(x))-1\right].

Dividindo por y>0y>0:

f(x+y)−f(x)y=f(x)⋅f(yf(x))−1y.\frac{f(x+y)-f(x)}{y} = f(x)\cdot \frac{f(yf(x))-1}{y}.

Para utilizar diretamente a hipótese sobre o limite, escrevemos

f(yf(x))−1y=f(x)⋅f(yf(x))−1yf(x).\frac{f(yf(x))-1}{y} = f(x)\cdot \frac{f(yf(x))-1}{yf(x)}.

Portanto,

f(x+y)−f(x)y=f(x)2f(yf(x))−1yf(x).\frac{f(x+y)-f(x)}{y} = f(x)^2 \frac{f(yf(x))-1}{yf(x)}.

Agora fazemos

y→0+.y\to0^+.

Como f(x)>0f(x)>0, temos

yf(x)→0+.yf(x)\to0^+.

Pela hipótese,

lim⁡t→0+f(t)−1t=k.\lim_{t\to0^+} \frac{f(t)-1}{t} = k.

Tomando

t=yf(x),t=yf(x),

segue que

lim⁡y→0+f(yf(x))−1yf(x)=k.\lim_{y\to0^+} \frac{f(yf(x))-1}{yf(x)} = k.

Por outro lado, como ff é diferenciável,

lim⁡y→0+f(x+y)−f(x)y=f′(x).\lim_{y\to0^+} \frac{f(x+y)-f(x)}{y} = f'(x).

Assim,

f′(x)=kf(x)2\boxed{ f'(x)=kf(x)^2 }

para todo x>0x>0.

Consequentemente,

f(x)2f′(x)=f(x)2kf(x)2.\frac{f(x)^2}{f'(x)} = \frac{f(x)^2}{kf(x)^2}.

Como f(x)>0f(x)>0, podemos cancelar f(x)2f(x)^2:

f(x)2f′(x)=1k.\frac{f(x)^2}{f'(x)} = \frac{1}{k}.

Logo,

lim⁡x→0+f(x)2f′(x)=1k.\lim_{x\to0^+} \frac{f(x)^2}{f'(x)} = \frac{1}{k}.

Portanto,

lim⁡x→0+f(x)2f′(x)=1k.\boxed{ \lim_{x\to0^+} \frac{f(x)^2}{f'(x)} = \frac{1}{k} }.