Argomenti: Funzioni limitate e periodiche; Composizione e invertibilità; La funzione inversa: esempi e grafici; Funzioni trigonometriche inverse; Introduzione al limite; Limiti: esempi e definizioni;…
11 min di lettura
1 Funzioni limitate e periodiche
1.1 Funzioni limitate
La funzione f(x)=x2 non è limitata su R, mentre f(x)=sinx è limitata: il suo grafico è compreso tra le rette y=−1 e y=1. La limitatezza dipende dall’insieme sul quale si considera la funzione.
Definizione 1. Una funzione f si dice limitata su A⊆Dom(f) se ∃L>0∀x∈A,∣f(x)∣≤L.∃L>0∀x∈A,∣f(x)∣≤L. Equivalentemente, −L≤f(x)≤L per ogni x∈A.
1.2 Funzioni periodiche
Definizione 2. Una funzione f:R→R si dice periodica se esiste T>0 tale che f(x+T)=f(x)∀x∈R.f(x+T)=f(x)∀x∈R.
Il più piccolo valore positivo di T che soddisfa questa proprietà, quando esiste, è detto periodo fondamentale di f.
Esempio 1. Si consideri, su [0,2], la funzione f(x)={x,2−x,0≤x≤1,1<x≤2. Ripetendo il grafico su tutta R si ottiene una funzione periodica con periodo fondamentale 2. In particolare, f(x+2)=f(x),f(x+4)=f(x).f(x+2)=f(x),f(x+4)=f(x).
2 Composizione e invertibilità
2.1 Composizione di funzioni
Siano f:A→B e g:B→C. La funzione composta di f con g è g∘f:A→C,(g∘f)(x)=g(f(x)).g∘f:A→C,(g∘f)(x)=g(f(x)). Si applica prima f e poi g.
Esempio 2. Per f(x)=x2 e g(x)=sinx, (g∘f)(x)=sin(x2),(f∘g)(x)=(sinx)2.(g∘f)(x)=sin(x2),(f∘g)(x)=(sinx)2. Le due funzioni composte sono diverse. Inoltre (sinx)2 non è la stessa funzione di sin(x2).
2.2 Il problema della funzione inversa
Data f:A→B, cerchiamo una funzione g:B→A che riporti ogni immagine al punto di partenza. Se due elementi distinti x1,x2 hanno la stessa immagine y, non si può assegnare a y contemporaneamente sia x1 sia x2: la corrispondenza inversa non sarebbe una funzione.
Definizione 3. Una funzione f:A→B è invertibile se esiste una funzione g:B→A tale che g(f(x))=x∀x∈A,f(g(y))=y∀y∈B.g(f(x))=x∀x∈A,f(g(y))=y∀y∈B. La funzione g si chiama inversa di f e si indica con f−1.
Negli appunti si assume che f sia iniettiva: in tal caso l’inversa è definita sull’immagine f(A).
3 La funzione inversa: esempi e grafici
3.1 Il quadrato e la radice quadrata
Per f(x)=x2, i punti 2 e −2 hanno entrambi immagine 4. La corrispondenza 4↦{2,−2} è una relazione, ma non una funzione. Perciò f non è invertibile su tutto R.
Restringendo il dominio si ottengono invece le due possibilità: funzionef+(x)=x2f−(x)=x2dominio e codominio[0,+∞)→[0,+∞)(−∞,0]→[0,+∞)inversaf+−1(y)=yf−−1(y)=−y La radice 4 è un unico numero, 2; l’equazione x2=4 ha invece le due soluzioni x=2 e x=−2.
Osservazione 1. La funzione inversa non è il reciproco: f−1(x)=1/f(x) in generale. Per il quadrato ristretto a [0,+∞), l’inversa è x, mentre il reciproco è 1/x2, definito per x=0.
3.2 Lettura del grafico della funzione inversa
Nella relazione y=x2 si ricava x=y, se x≥0. Scambiando i nomi delle variabili si ottiene y=x. I grafici della funzione e della sua inversa sono simmetrici rispetto alla retta y=x.
Osservazione 2. Se g è l’inversa di f, allora f è l’inversa di g: g(f(x))=x,f(g(y))=y.g(f(x))=x,f(g(y))=y. Inoltre x2=∣x∣={x,−x,x≥0,x<0. Una funzione strettamente monotona, crescente o decrescente, è invertibile sulla propria immagine.
4 Funzioni trigonometriche inverse
4.1 Coseno e arcocoseno
Il coseno è definito su R, ma è strettamente decrescente su [0,π]. La restrizione a questo intervallo è invertibile: f:[0,π]→[−1,1],f(x)=cosx,f−1:[−1,1]→[0,π],f−1(x)=arccosx.f:[0,π]→[−1,1],f(x)=cosx,f−1:[−1,1]→[0,π],f−1(x)=arccosx.
4.2 Seno e arcoseno
Il seno è definito su R. Per ottenere la sua inversa si considera la restrizione strettamente crescente a [−π/2,π/2]: f:[−2π,2π]→[−1,1],f(x)=sinx,f−1:[−1,1]→[−2π,2π],f−1(x)=arcsinx.f:[−2π,2π]→[−1,1],f(x)=sinx,f−1:[−1,1]→[−2π,2π],f−1(x)=arcsinx.
La fascia colorata sull’asse x evidenzia, in ciascun grafico, l’intervallo sul quale si restringe la funzione per definirne l’inversa.
4.3 Tangente e arcotangente
Il grafico della tangente presenta rami separati dalle rette x=π/2+kπ, con k∈Z. Per definirne l’inversa si considera il ramo strettamente crescente su (−π/2,π/2): f:(−2π,2π)→R,f(x)=tanx,f−1:R→(−2π,2π),f−1(x)=arctanx.f:(−2π,2π)→R,f(x)=tanx,f−1:R→(−2π,2π),f−1(x)=arctanx. Il dominio dell’arcotangente è quindi tutto R.
5 Introduzione al limite
5.1 Un primo esempio
Nel grafico di f(x)=x2, quando x tende a 2, f(x) tende a 4. Si scrive x→2limx2=4. Più in generale, la notazione limx→x0f(x)=L descrive il fatto che, quando x si avvicina a x0, i valori f(x) si avvicinano a L. La distanza tra due numeri reali si esprime mediante il valore assoluto: ∣x−x0∣ per gli argomenti e ∣f(x)−L∣ per i valori della funzione.
5.2 Limite finito in un punto
Definizione 4. Siano x0,L∈R e sia x0 un punto di accumulazione del dominio di f. Si scrive limx→x0f(x)=L se ∀ε>0∃δ>0∀x∈Dom(f),0<∣x−x0∣<δ⟹∣f(x)−L∣<ε.∀ε>0∃δ>0∀x∈Dom(f),0<∣x−x0∣<δ⟹∣f(x)−L∣<ε.
La tolleranza ε sui valori della funzione può essere scelta arbitrariamente piccola. Si deve allora trovare un’ampiezza δ tale che, se x è abbastanza vicino a x0, ma diverso da x0, valga L−ε<f(x)<L+ε.
5.3 Limite finito per x→+∞
L’esempio degli appunti è f(x)=1/x+2, per cui x→+∞lim(x1+2)=2.
Definizione 5. Sia il dominio di f illimitato superiormente. Si scrive limx→+∞f(x)=L∈R se ∀ε>0∃M>0∀x∈Dom(f),x>M⟹∣f(x)−L∣<ε.∀ε>0∃M>0∀x∈Dom(f),x>M⟹∣f(x)−L∣<ε.
6 Limiti: esempi e definizioni
6.1 Un esempio in cui il limite non esiste
Si consideri la funzione f(x)={2,−3,x≥1,x<1. Qualunque sia l’ampiezza dell’intorno di 1, a sinistra di 1 la funzione vale −3, mentre a destra vale 2. I due limiti laterali sono diversi: x→1−limf(x)=−3,x→1+limf(x)=2.x→1−limf(x)=−3,x→1+limf(x)=2. Pertanto non esiste limx→1f(x). In particolare, scegliendo una fascia sufficientemente stretta attorno a 2, non tutti i valori di f in un intorno di 1 appartengono a tale fascia.
6.2 Limite infinito in un punto
Si assume che x0 sia un punto di accumulazione del dominio di f. La notazione x→x0limf(x)=+∞ non indica un limite reale: +∞ non è un numero reale.
Definizione 6. Si scrive limx→x0f(x)=+∞ se ∀M>0∃δ>0∀x∈Dom(f),0<∣x−x0∣<δ⟹f(x)>M.∀M>0∃δ>0∀x∈Dom(f),0<∣x−x0∣<δ⟹f(x)>M.
6.3 Limite destro finito
Definizione 7. Siano x0,L∈R e sia x0 un punto di accumulazione da destra del dominio di f. Si dice che L è il limite destro di f per x→x0, e si scrive limx→x0+f(x)=L, se ∀ε>0∃δ>0∀x∈Dom(f),x0<x<x0+δ⟹∣f(x)−L∣<ε.∀ε>0∃δ>0∀x∈Dom(f),x0<x<x0+δ⟹∣f(x)−L∣<ε.
7 Teoremi sui limiti
Teorema 1 (Unicità del limite). Se limx→x0f(x)=L, allora il limite L è unico.
Dimostrazione. Consideriamo il caso x0∈R e L∈R. Supponiamo per assurdo che f abbia due limiti finiti distinti L1 e L2. Per ogni ε>0, esistono δ1,δ2>0 tali che, per x∈Dom(f), 0<∣x−x0∣<δ10<∣x−x0∣<δ2⟹∣f(x)−L1∣<ε,⟹∣f(x)−L2∣<ε. Ponendo δ=min{δ1,δ2}, entrambe le disuguaglianze valgono se 0<∣x−x0∣<δ. Per la disuguaglianza triangolare, 0≤∣L1−L2∣=∣L1−f(x)+f(x)−L2∣≤∣L1−f(x)∣+∣f(x)−L2∣<2ε. Poiché x0 è un punto di accumulazione del dominio, un tale x esiste. La stima vale per ogni ε>0; scegliendo ε=∣L1−L2∣/3, si ottiene una contraddizione. Pertanto ∣L1−L2∣=0, ossia L1=L2. ◻
Teorema 2 (Dei carabinieri). Supponiamo che esista r>0 tale che ∀x∈D:0<∣x−x0∣<r⟹h(x)≤f(x)≤g(x).∀x∈D:0<∣x−x0∣<r⟹h(x)≤f(x)≤g(x). Qui D è il dominio comune delle tre funzioni e x0 è un suo punto di accumulazione. Se limx→x0h(x)=limx→x0g(x)=L, allora x→x0limf(x)=L.
Teorema 3 (Permanenza del segno). Se limx→x0f(x)=L>0, allora esiste δ>0 tale che ∀x∈Dom(f):0<∣x−x0∣<δ⟹f(x)>0.∀x∈Dom(f):0<∣x−x0∣<δ⟹f(x)>0.
Esempio 3. La funzione f(x)=1/x è positiva per ogni x>0, ma x→+∞limx1=0. Dunque la positività della funzione non implica che il limite sia strettamente positivo.
8 Operazioni sui limiti e forme indeterminate
8.1 Somma di limiti finiti
Osservazione 3. Se limx→x0f(x)=L1∈R e limx→x0g(x)=L2∈R, allora x→x0lim(f(x)+g(x))=L1+L2.
Se invece f(x)→+∞ e g(x)→−∞, la somma presenta la forma indeterminata +∞−∞. Non si può trattare questa espressione con le ordinarie operazioni algebriche.
8.2 Differenza di polinomi
Esempio 4. Siano f(x)=x2 e g(x)=x. Per x→+∞, entrambe tendono a +∞, ma la loro differenza soddisfa x→+∞lim(x2−x)=x→+∞limx2(1−x1)=+∞. Si raccoglie il termine di grado massimo: x2→+∞ e 1−1/x→1.
Analogamente, x→+∞lim(x2−4x5)=x→+∞limx5(x31−4)=−∞, poiché x5→+∞ e 1/x3−4→−4. Il termine di grado massimo determina l’andamento del polinomio all’infinito.
8.3 Prodotto e quoziente di limiti finiti
Se limx→x0f(x)=L1∈R e limx→x0g(x)=L2∈R, allora x→x0lim(f(x)g(x))=L1L2. Se inoltre L2=0, si ha x→x0limg(x)f(x)=L2L1.
8.4 Quozienti di polinomi all’infinito
Il primo esempio presenta la forma indeterminata ∞/∞: x→+∞lim1+2x+x3x+3x2=x→+∞limx3(x31+x22+1)x2(x1+3)=x→+∞limx1x31+x22+1x1+3=0. Nel secondo esempio, x→+∞limx+2x2+3x+1=x→+∞limx(1+x2)x2(1+x3+x21)=x→+∞limx1+x21+x3+x21=+∞.
8.5 Un quoziente con limiti laterali diversi
Consideriamo x→0limx2+2xx+x2−3x−5.
Il numeratore tende a −5, mentre il denominatore è x(x+2) e tende a zero. Vicino a 0, il fattore x+2 è positivo; il segno del denominatore coincide quindi con quello di x. Ne segue che x→0+limx(x+2)x+x2−3x−5x→0−limx(x+2)x+x2−3x−5=−∞,=+∞. Lo stesso comportamento laterale compare nell’espressione −5/(2x): x→0+lim2x−5=−∞,x→0−lim2x−5=+∞.x→0+lim2x−5=−∞,x→0−lim2x−5=+∞. Poiché i due limiti laterali sono diversi, il limite bilatero non esiste.
8.6 Il limite del rapporto tra logaritmo e variabile
Per a>1 si ha x→+∞limxlogax=0. Il solo fatto che il grafico di y=x si trovi, per x sufficientemente grande, sopra quello del logaritmo non basta a dimostrare questo limite.
Dimostrazione. Per x>1, usando x=(x)2, si ottiene 0<xlogax=xx2logax=x2xlogax. Si usa ora la disuguaglianza lnt<t per t>0. Poiché logat=lnt/lna e lna>0, segue che 0<xlogax<lna1,0<xlogax<lnax2.0<xlogax<lna1,0<xlogax<lnax2. Il termine a destra tende a zero per x→+∞. Per il teorema dei carabinieri, anche logax/x tende a zero. ◻