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Limites no Infinito

Até agora, estudamos limites em que a variável xx se aproxima de um número real.

Por exemplo,

lim⁡x→2f(x).\lim_{x\to2}f(x).

Agora estudaremos uma situação diferente: o comportamento da função quando xx cresce ou decresce indefinidamente.

Nesse caso, analisamos limites da forma

lim⁡x→+∞f(x)\lim_{x\to+\infty}f(x)

e

lim⁡x→−∞f(x).\lim_{x\to-\infty}f(x).

Esses limites são chamados de limites no infinito.


1. O que significa x→+∞x\to+\infty?​

Quando escrevemos

x→+∞,x\to+\infty,

não estamos dizendo que xx assume o valor infinito.

O símbolo +∞+\infty representa uma ideia de crescimento ilimitado.

Assim,

x→+∞x\to+\infty

significa que xx assume valores cada vez maiores:

10,100,1000,10000,…10,\quad100,\quad1000,\quad10000,\quad\ldots

Por exemplo,

lim⁡x→+∞1x=0.\lim_{x\to+\infty}\frac1x=0.

Isso significa que, à medida que xx cresce indefinidamente, os valores de 1x\frac1x ficam cada vez mais próximos de 00.


2. O que significa x→−∞x\to-\infty?​

De maneira semelhante,

x→−∞x\to-\infty

significa que xx assume valores cada vez menores:

−10,−100,−1000,−10000,…-10,\quad-100,\quad-1000,\quad-10000,\quad\ldots

Por exemplo,

lim⁡x→−∞1x=0.\lim_{x\to-\infty}\frac1x=0.

Embora os valores de xx sejam negativos e cada vez menores, a fração 1x\frac1x continua se aproximando de zero.


3. Um exemplo simples​

Considere

f(x)=1x.f(x)=\frac1x.

Vamos analisar o comportamento da função quando

x→+∞.x\to+\infty.

Podemos observar alguns valores:

xx1x\frac1x
10100,10{,}1
1001000,010{,}01
100010000,0010{,}001
10000100000,00010{,}0001

À medida que xx aumenta, 1x\frac1x se aproxima cada vez mais de zero.

Portanto,

lim⁡x→+∞1x=0\boxed{ \lim_{x\to+\infty}\frac1x=0 }

4. Limite quando x→−∞x\to-\infty​

Agora analisemos a mesma função quando

x→−∞.x\to-\infty.

Temos:

xx1x\frac1x
−10-10−0,1-0{,}1
−100-100−0,01-0{,}01
−1000-1000−0,001-0{,}001
−10000-10000−0,0001-0{,}0001

Os valores se aproximam de zero pelo lado negativo.

Assim,

lim⁡x→−∞1x=0\boxed{ \lim_{x\to-\infty}\frac1x=0 }

Portanto,

lim⁡x→±∞1x=0\boxed{ \lim_{x\to\pm\infty}\frac1x=0 }

5. Potências de xx no denominador​

Um resultado muito importante é:

lim⁡x→±∞1xn=0\boxed{ \lim_{x\to\pm\infty}\frac1{x^n}=0 }

para todo inteiro positivo nn.

Por exemplo,

lim⁡x→+∞1x2=0,\lim_{x\to+\infty}\frac1{x^2}=0, lim⁡x→+∞1x3=0\lim_{x\to+\infty}\frac1{x^3}=0

e

lim⁡x→−∞1x4=0.\lim_{x\to-\infty}\frac1{x^4}=0.

A razão é que o denominador cresce em módulo sem limite, enquanto o numerador permanece igual a 11.


6. Constante dividida por uma potência de xx​

Mais geralmente, para uma constante kk e n>0n>0,

lim⁡x→±∞kxn=0\boxed{ \lim_{x\to\pm\infty}\frac{k}{x^n}=0 }

Por exemplo,

lim⁡x→+∞7x3=0.\lim_{x\to+\infty}\frac{7}{x^3}=0.

Também temos

lim⁡x→−∞−5x2=0.\lim_{x\to-\infty}\frac{-5}{x^2}=0.

7. Funções que se aproximam de uma constante​

Considere

f(x)=3+1x.f(x)=3+\frac1x.

Quando x→+∞x\to+\infty,

1x→0.\frac1x\to0.

Logo,

3+1x→3.3+\frac1x\to3.

Portanto,

lim⁡x→+∞(3+1x)=3\boxed{ \lim_{x\to+\infty} \left(3+\frac1x\right)=3 }

Da mesma forma,

lim⁡x→−∞(3+1x)=3\boxed{ \lim_{x\to-\infty} \left(3+\frac1x\right)=3 }

8. Assíntota horizontal​

O resultado anterior nos leva a um conceito importante.

Se

lim⁡x→+∞f(x)=L,\lim_{x\to+\infty}f(x)=L,

então a reta

y=Ly=L

é chamada de assíntota horizontal da função para x→+∞x\to+\infty.

Da mesma forma, se

lim⁡x→−∞f(x)=L,\lim_{x\to-\infty}f(x)=L,

então

y=Ly=L

é uma assíntota horizontal para x→−∞x\to-\infty.

Exemplo​

Considere

f(x)=3+1x.f(x)=3+\frac1x.

Como

lim⁡x→+∞f(x)=3,\lim_{x\to+\infty}f(x)=3,

temos a reta

y=3\boxed{y=3}

como assíntota horizontal.


9. Uma observação importante​

A função pode atravessar uma assíntota horizontal.

Portanto, uma assíntota horizontal não significa necessariamente que o gráfico ficará permanentemente acima ou abaixo da reta.

O que importa é o comportamento da função quando xx cresce ou decresce indefinidamente.


10. Limites de funções racionais​

Considere uma função racional:

f(x)=P(x)Q(x),f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)},

onde PP e QQ são polinômios.

Para determinar o limite no infinito, uma das ideias mais importantes é comparar os graus dos polinômios.

Considere

P(x)Q(x).\frac{P(x)}{Q(x)}.

Existem três casos principais:

  • grau do numerador menor que o grau do denominador;
  • graus iguais;
  • grau do numerador maior que o grau do denominador.

11. Numerador com grau menor​

Considere

lim⁡x→∞2x+1x2+3.\lim_{x\to\infty} \frac{2x+1}{x^2+3}.

O grau do numerador é 11.

O grau do denominador é 22.

Como o grau do numerador é menor, esperamos que o limite seja zero.

Podemos demonstrar isso dividindo todos os termos por x2x^2:

2x+1x2+3=2x+1x21+3x2.\frac{2x+1}{x^2+3} = \frac{\frac{2}{x}+\frac1{x^2}} {1+\frac3{x^2}}.

Quando

x→∞,x\to\infty,

temos

2x→0\frac2x\to0

e

1x2→0.\frac1{x^2}\to0.

Portanto,

lim⁡x→∞2x+1x2+3=0+01+0.\lim_{x\to\infty} \frac{2x+1}{x^2+3} = \frac{0+0}{1+0}.

Logo,

lim⁡x→∞2x+1x2+3=0\boxed{ \lim_{x\to\infty} \frac{2x+1}{x^2+3}=0 }

12. Graus iguais​

Considere

lim⁡x→∞3x2+2x−15x2−x+4.\lim_{x\to\infty} \frac{3x^2+2x-1}{5x^2-x+4}.

O grau do numerador e do denominador é 22.

Dividimos todos os termos por x2x^2:

3x2+2x−15x2−x+4=3+2x−1x25−1x+4x2.\frac{3x^2+2x-1}{5x^2-x+4} = \frac{ 3+\frac2x-\frac1{x^2} }{ 5-\frac1x+\frac4{x^2} }.

Quando x→∞x\to\infty,

1x→0\frac1x\to0

e

1x2→0.\frac1{x^2}\to0.

Assim,

lim⁡x→∞3x2+2x−15x2−x+4=35.\lim_{x\to\infty} \frac{3x^2+2x-1}{5x^2-x+4} = \frac35.

Portanto,

lim⁡x→∞3x2+2x−15x2−x+4=35\boxed{ \lim_{x\to\infty} \frac{3x^2+2x-1}{5x^2-x+4} = \frac35 }

Observe que o resultado é a razão entre os coeficientes dos termos de maior grau:

35.\frac35.

13. Grau do numerador maior​

Considere

lim⁡x→∞x3+1x2+1.\lim_{x\to\infty} \frac{x^3+1}{x^2+1}.

O grau do numerador é 33.

O grau do denominador é 22.

Podemos dividir por x2x^2:

x3+1x2+1=x+1x21+1x2.\frac{x^3+1}{x^2+1} = \frac{x+\frac1{x^2}} {1+\frac1{x^2}}.

Quando x→+∞x\to+\infty,

x→+∞.x\to+\infty.

Portanto,

lim⁡x→+∞x3+1x2+1=+∞\boxed{ \lim_{x\to+\infty} \frac{x^3+1}{x^2+1} = +\infty }

Nesse caso, não existe uma assíntota horizontal.


14. Regra prática para funções racionais​

Para

lim⁡x→±∞P(x)Q(x),\lim_{x\to\pm\infty} \frac{P(x)}{Q(x)},

podemos comparar os graus.

Se

deg⁡P<deg⁡Q,\deg P<\deg Q,

então

L=0.\boxed{L=0}.

Se

deg⁡P=deg⁡Q,\deg P=\deg Q,

então

L=coeficiente lıˊder de Pcoeficiente lıˊder de Q.\boxed{ L= \frac{\text{coeficiente líder de }P} {\text{coeficiente líder de }Q} }.

Se

deg⁡P>deg⁡Q,\deg P>\deg Q,

o comportamento não é determinado apenas por uma constante. Nesse caso, precisamos analisar a expressão com mais cuidado.


15. Exemplo resolvido​

🧩 Exercício 1 Fácil

Calcule

lim⁡x→+∞5x+2x2+1.\lim_{x\to+\infty} \frac{5x+2}{x^2+1}.

O grau do numerador é 11 e o grau do denominador é 22.

Como

1<2,1<2,

o denominador cresce mais rapidamente que o numerador.

Dividindo por x2x^2:

5x+2x2+1=5x+2x21+1x2.\frac{5x+2}{x^2+1} = \frac{\frac5x+\frac2{x^2}} {1+\frac1{x^2}}.

Quando x→+∞x\to+\infty,

5x→0\frac5x\to0

e

2x2→0.\frac2{x^2}\to0.

Logo,

lim⁡x→+∞5x+2x2+1=0.\lim_{x\to+\infty} \frac{5x+2}{x^2+1} = 0.

Portanto,

0\boxed{0}

16. Exemplo resolvido​

🧩 Exercício 2 Média

Calcule

lim⁡x→+∞4x2−3x+12x2+x−5.\lim_{x\to+\infty} \frac{4x^2-3x+1}{2x^2+x-5}.

Os polinômios do numerador e do denominador possuem o mesmo grau.

O grau é 22.

Portanto, podemos utilizar a razão entre os coeficientes líderes:

42=2.\frac42=2.

Assim,

lim⁡x→+∞4x2−3x+12x2+x−5=2\boxed{ \lim_{x\to+\infty} \frac{4x^2-3x+1}{2x^2+x-5} = 2 }

17. Exemplo resolvido​

🧩 Exercício 3 Média

Determine

lim⁡x→−∞2x2+3x2−4x+1.\lim_{x\to-\infty} \frac{2x^2+3}{x^2-4x+1}.

O grau do numerador e do denominador é 22.

Como os graus são iguais, basta comparar os coeficientes dos termos de maior grau.

No numerador, o coeficiente é 22.

No denominador, o coeficiente é 11.

Logo,

lim⁡x→−∞2x2+3x2−4x+1=21.\lim_{x\to-\infty} \frac{2x^2+3}{x^2-4x+1} = \frac21.

Portanto,

2\boxed{2}

18. Limites no infinito e comportamento do gráfico​

Os limites no infinito permitem estudar o comportamento de uma função nas extremidades do gráfico.

Por exemplo, se

lim⁡x→+∞f(x)=L,\lim_{x\to+\infty}f(x)=L,

então os valores de f(x)f(x) ficam cada vez mais próximos de LL quando xx cresce.

Da mesma maneira, se

lim⁡x→−∞f(x)=L,\lim_{x\to-\infty}f(x)=L,

os valores de f(x)f(x) se aproximam de LL quando xx diminui indefinidamente.

Assim, os limites no infinito são uma ferramenta importante para identificar assíntotas horizontais e compreender o comportamento global de uma função.


19. Resumo​

Os principais resultados estudados são:

lim⁡x→±∞1x=0\boxed{ \lim_{x\to\pm\infty}\frac1x=0 }

e, de maneira geral,

lim⁡x→±∞1xn=0\boxed{ \lim_{x\to\pm\infty}\frac1{x^n}=0 }

para n>0n>0.

Para funções racionais, devemos comparar os graus do numerador e do denominador.

Comparação dos grausComportamento
deg⁡P<deg⁡Q\deg P<\deg Qlimite igual a 00
deg⁡P=deg⁡Q\deg P=\deg Qrazão dos coeficientes líderes
deg⁡P>deg⁡Q\deg P>\deg Qanálise adicional necessária

Se

lim⁡x→±∞f(x)=L,\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=L,

então

y=L\boxed{y=L}

é uma assíntota horizontal correspondente.


20. Próximo passo​

Já sabemos analisar o comportamento das funções quando xx tende a +∞+\infty ou −∞-\infty.

Agora precisamos estudar outra situação importante:

o que acontece quando os valores da função crescem indefinidamente próximo de um determinado ponto?

No próximo tópico estudaremos os limites infinitos e as assíntotas verticais.