∫ Analisi 1
Sezione 2 · Prima parte

Funzioni, successioni e limiti

Qui nasce l'Analisi vera e propria. La prima metà è linguaggio — indispensabile ma familiare. La seconda introduce il limite, la definizione che riassume l'intero corso: tutto ciò che verrà dopo (continuità, derivate, integrali, serie) è un limite travestito.

★ Novità delle Lezioni 5–8 e delle Esercitazioni 1–3
↳ Il salto concettuale

Fino a ora hai lavorato con oggetti statici: un numero, un insieme, una disuguaglianza. Il limite è il primo oggetto dinamico: non descrive dove la successione arriva, ma come si comporta definitivamente. Se la definizione «$\forall\eps>0\ \exists N:\ \forall n>N,\ |a_n-L|<\eps$» ti sembra un rompicapo di quantificatori, usa il visualizzatore più sotto: è una striscia e una soglia, nient'altro.

Checklist del programma

Avanzamento Sezione 2 0/29 · 0%

1 · Funzioni tra insiemi

Definizione

Una funzione $f:A\to B$ associa a ogni $x\in A$ uno e un solo $f(x)\in B$.

  • dominio $A$; codominio $B$;
  • immagine $f(A)=\{f(x):x\in A\}\subseteq B$;
  • grafico $G_f=\{(x,f(x)):x\in A\}$;
  • controimmagine di $E\subseteq B$: $f^{-1}(E)=\{x\in A: f(x)\in E\}$.
✗ La trappola della controimmagine

$f^{-1}(E)$ è definita sempre, anche quando $f$ non è invertibile: è un insieme, non il valore di una funzione inversa. Per $f(x)=x^2$ si ha $f^{-1}(\{4\})=\{-2,2\}$ e $f^{-1}(\{-1\})=\emptyset$, benché $f$ non sia iniettiva. Quando in un quesito compare $f^{-1}$, controlla sempre se si parla di controimmagine o di funzione inversa.

Funzione composta

Date $f:A\to B$ e $g:C\to D$ con $f(A)\subseteq C$, si pone $(g\circ f)(x)=g(f(x))$: prima $f$, poi $g$. La composizione è associativa ma in generale non commutativa.

Il controesempio da citare all'esame

$f(x)=x^2$, $g(x)=x+1$: $$(g\circ f)(x)=x^2+1,\qquad (f\circ g)(x)=(x+1)^2=x^2+2x+1.$$ Coincidono solo per $x=0$. Spesso, inoltre, una sola delle due composizioni è definita.

Iniettiva, suriettiva, biunivoca

Definizioni
  • iniettiva: $f(x_1)=f(x_2)\Rightarrow x_1=x_2$ — ogni retta orizzontale incontra il grafico al più una volta;
  • suriettiva: $f(A)=B$ — ogni retta orizzontale a quota in $B$ incontra il grafico almeno una volta;
  • biunivoca: entrambe. Allora esiste $f^{-1}:B\to A$ con $f^{-1}(y)=x\iff f(x)=y$.

Dagli appunti: se $f$ è solo iniettiva, è comunque invertibile sulla sua immagine, con $f^{-1}:f(A)\to A$; se è anche suriettiva è invertibile su tutto il codominio $B$. In entrambi i casi $$(f^{-1}\circ f)(x)=x\quad\forall x\in A,\qquad (f\circ f^{-1})(y)=y\quad\forall y\in f(A).$$

Test della retta orizzontaletrascina la retta
1.5
✓ Il trucco che serve sempre

Ogni funzione iniettiva diventa biunivoca restringendo il codominio all'immagine. $e^x:\R\to\R$ non è suriettiva, ma $e^x:\R\to(0,+\infty)$ è biunivoca, con inversa $\ln$. Allo stesso modo $x^2$ non è iniettiva su $\R$, ma lo è su $[0,+\infty)$. I grafici di $f$ e $f^{-1}$ sono simmetrici rispetto alla bisettrice $y=x$.

2 · Proprietà delle funzioni reali

Monotonia e rapporto incrementale

Definizione

$f$ è crescente se $x_1\lt x_2\Rightarrow f(x_1)\le f(x_2)$; strettamente crescente se vale $<$. Analogamente decrescente. Monotòna = crescente oppure decrescente.

Proposizione — collegamento con il rapporto incrementale

Posto, per $x_1\ne x_2$, $\ R(x_1,x_2)=\dfrac{f(x_2)-f(x_1)}{x_2-x_1}$, si ha $$f\ \text{crescente su }A\iff R(x_1,x_2)\ge0\ \ \forall x_1\ne x_2\in A,$$ e strettamente crescente $\iff R>0$.

Dimostrazione

($\Rightarrow$) Siano $x_1\ne x_2$; a meno di scambiarli, $x_1\lt x_2$, quindi $x_2-x_1>0$. Se $f$ è crescente allora $f(x_2)-f(x_1)\ge0$, e il quoziente di un numero $\ge0$ per uno $>0$ è $\ge0$.

($\Leftarrow$) Se $R(x_1,x_2)\ge0$ e $x_1\lt x_2$, da $f(x_2)-f(x_1)=R\cdot(x_2-x_1)$ con entrambi i fattori $\ge0$ segue $f(x_1)\le f(x_2)$. $\blacksquare$

Il guadagno: $R$ non dipende dall'ordine di $x_1,x_2$, quindi la monotonia diventa una condizione di segno. Nel calcolo differenziale questo segno diventerà quello di $f'$.

✗ L'esempio di $\frac1x$ (Lezione 4)

$f(x)=\frac1x$ su $\R\setminus\{0\}$ è decrescente su $(0,+\infty)$ e decrescente su $(-\infty,0)$, ma non è decrescente su $\R\setminus\{0\}$: con $x_1=-1\lt x_2=1$ si ha $f(x_1)=-1<1=f(x_2)$. E non è nemmeno crescente, perché con $x_1=1\lt x_2=2$ si ha $f(x_1)=1>\frac12=f(x_2)$. Quindi non è monotòna. La monotonia dipende dall'insieme su cui la guardi: «decrescente su ogni pezzo» non vuol dire «decrescente».

Funzioni pari, dispari, periodiche

TipoCondizioneSimmetria del graficoEsempi
Pari$f(-x)=f(x)$rispetto all'asse $y$$x^2$, $\cos x$, $|x|$
Dispari$f(-x)=-f(x)$rispetto all'origine$x^3$, $\sin x$, $\arctan x$
Periodica$f(x+T)=f(x)$traslazione di $T$$\sin x$ ($T=2\pi$), $\tan x$ ($T=\pi$)

Il dominio deve essere simmetrico rispetto all'origine perché la parità abbia senso. Se $f$ è dispari ed è definita in $0$, allora $f(0)=0$. La maggior parte delle funzioni non è né pari né dispari.

Funzioni limitate; massimo, minimo, sup e inf di funzioni

Definizione (Lezione 5)

$f:A\subseteq\R\to\R$ è limitata superiormente (inferiormente) se l'insieme immagine $f(A)\subseteq\R$ è limitato superiormente (inferiormente), cioè $$\exists M\in\R:\ f(x)\le M\ \ \forall x\in A\qquad\Bigl(\exists m\in\R:\ f(x)\ge m\ \ \forall x\in A\Bigr).$$ È limitata se è limitata sia superiormente sia inferiormente.

Negando: $f$ è illimitata superiormente se $\forall M\in\R\ \exists x\in A:\ f(x)>M$.

Esempio della lezione$f(A)$$\sup$$\inf$max / min
$\arctan x$ su $\R$$\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right)$$\frac\pi2$$-\frac\pi2$né max né min: limitata
$\frac1x$ su $(0,+\infty)$$(0,+\infty)$$+\infty$$0$né max né min: illimitata sup., limitata inf.
$\sin x$ su $\R$$[-1,1]$$1$$-1$$\max=1$, $\min=-1$
$|x|$ su $\R$$[0,+\infty)$$+\infty$$0$$\min=0$, niente max
Definizione

Tutte le nozioni si ottengono applicando quelle insiemistiche all'immagine: $$\sup_A f:=\sup f(A),\qquad \inf_A f:=\inf f(A),\qquad \max_A f:=\max f(A)\ \text{(se esiste)}.$$ Se $f(x_0)=\max_A f$, il punto $x_0$ si dice punto di massimo assoluto.

✗ Valore o punto?

Il massimo è un valore sull'asse $y$; il punto di massimo è un'ascissa. Per $f(x)=\sin x$ su $\R$: il massimo è $1$, i punti di massimo sono infiniti, $x=\frac\pi2+2k\pi$. Per $f(x)=\arctan x$: $\sup=\frac\pi2$ e $\inf=-\frac\pi2$, ma né massimo né minimo esistono.

Galleria delle funzioni elementari

Funzioni elementari e trasformazioni$y = a\,f(bx+c)+d$
1
1
0
0

Scheda delle funzioni elementari (Lezione 5)

Stesso ordine degli appunti. Tutte le funzioni del menu qui sopra sono disegnabili.

FunzioneInsieme di definizioneImmagineProprietà da sapere
(a) $ax+b$ (lineare/affine)$\R$$\R$ se $a\ne0$grafico: una retta
(b) $x^n$, $n\in\N$$\R$$n$ pari: $[0,+\infty)$; $n$ dispari: $\R$$n$ pari: pari, non iniettiva; $n$ dispari: dispari, strettamente crescente
$x^{p/q}$, $p,q$ coprimi$q$ pari: $[0,+\infty)$
$q$ dispari: $\R$
dipende da $p$es. $x^{1/2}=\sqrt x$ su $[0,+\infty)$, $x^{1/3}=\sqrt[3]x$ su tutto $\R$
$x^{-p/q}=\dfrac1{x^{p/q}}$$q$ pari: $(0,+\infty)$
$q$ dispari: $\R\setminus\{0\}$
—es. $x^{-1/2}=\frac1{\sqrt x}$ su $(0,+\infty)$; $\frac1x$ su $\R\setminus\{0\}$
(c) $\sin x$, $\cos x$$\R$$[-1,1]$periodo $2\pi$; $\sin$ dispari, $\cos$ pari; $\max=1$, $\min=-1$
$\tan x=\frac{\sin x}{\cos x}$$\R\setminus\left\{\frac\pi2+k\pi\right\}$$\R$periodo $\pi$; illimitata: $\sup=+\infty$, $\inf=-\infty$
$\cot x=\frac{\cos x}{\sin x}$$\R\setminus\{k\pi\}$$\R$periodo $\pi$; illimitata
(d) $\arcsin x$$[-1,1]$$\left[-\frac\pi2,\frac\pi2\right]$inversa di $\sin$ ristretto a $\left[-\frac\pi2,\frac\pi2\right]$; crescente
$\arccos x$$[-1,1]$$[0,\pi]$inversa di $\cos$ ristretto a $[0,\pi]$; decrescente
$\arctan x$$\R$$\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right)$inversa di $\tan$ ristretta a $\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right)$; crescente, limitata
$\operatorname{arccot} x$$\R$$(0,\pi)$inversa di $\cot$ ristretta a $(0,\pi)$; decrescente, limitata
(e) $a^x$, $a>0$, $a\ne1$$\R$$(0,+\infty)$$a>1$ crescente, $0\lt a\lt 1$ decrescente; $\inf=0$ (non è minimo), $\sup=+\infty$; biettiva su $(0,+\infty)$
$\log_a x$$(0,+\infty)$$\R$inversa di $a^x$: $a^x=y\iff x=\log_a y$
(g) $|x|$$\R$$[0,+\infty)$pari; $\min=0$, $\sup=+\infty$
(h) $[x]$, parte intera$\R$$\Z$il più grande intero $\le x$; grafico «a gradini»
(i) $\operatorname{sgn}x$$\R$$\{-1,0,1\}$$1$ se $x>0$, $0$ se $x=0$, $-1$ se $x\lt 0$; dispari
(l) $\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}2$$\R$$\R$dispari, strettamente crescente
$\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}2$$\R$$[1,+\infty)$pari, $\min=\cosh0=1$
$\tanh x=\frac{\sinh x}{\cosh x}$$\R$$(-1,1)$dispari, crescente, limitata: $\sup=1$, $\inf=-1$, né max né min
L'identità fondamentale delle funzioni iperboliche

$$\cosh^2x-\sinh^2x=1\qquad\forall x\in\R.$$ Verifica: $\cosh^2x-\sinh^2x=\frac{(e^x+e^{-x})^2-(e^x-e^{-x})^2}{4}=\frac{4\,e^xe^{-x}}{4}=1$. Quindi il punto $(\cosh x,\sinh x)$ sta sull'iperbole equilatera $x^2-y^2=1$: è da qui che viene il nome «iperboliche», come $(\cos x,\sin x)$ sta sulla circonferenza $x^2+y^2=1$.

✗ Tre trappole
  • La parte intera dei negativi. $[-0{,}5]=-1$, non $0$; $[-\pi]=-4$, non $-3$. È il più grande intero minore o uguale a $x$, quindi per i negativi si va «verso sinistra».
  • $x^{1/3}$ sui negativi. Nel corso $x^{p/q}$ con $q$ dispari è definita su tutto $\R$, per esempio $\sqrt[3]{-8}=-2$. Molti libri e la calcolatrice la definiscono solo per $x\ge0$: segui il corso.
  • Gli estremi di $\arctan$ e $\operatorname{arccot}$. La tangente si restringe all'intervallo aperto $\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right)$, perché in $\pm\frac\pi2$ non è definita. Negli appunti a pagina 7 l'intervallo è scritto chiuso: è un refuso. Lo stesso vale per la cotangente su $(0,\pi)$.

3 · Successioni numeriche

Definizione

Una successione è una funzione $a:\N\to\R$; si scrive $a_n$ per $a(n)$ e $(a_n)_{n\in\N}$ per la successione. Il dominio può essere $\{n\ge n_0\}$. Il grafico è un insieme di punti isolati $(n,a_n)$, non una curva.

Notazione degli appunti: $\{a_n\}_{n\in\N}$ per la successione, $\operatorname{Im}a_n$ per l'insieme dei suoi valori. Per esempio $a_n=(-1)^n$ ha $\operatorname{Im}a_n=\{-1,1\}$. Altri esempi della lezione: $a_n=n^2$ (cioè $0,1,4,9,\dots$) e $a_n=n!$, con $n!=n(n-1)\cdots1$ e $0!=1$ (cioè $1,1,2,6,24,\dots$).

Definizioni (Lezione 6)
  • limitata superiormente (inferiormente) se $\operatorname{Im}a_n$ lo è: $\exists M\in\R:\ a_n\le M\ \forall n$ $\bigl(\exists m\in\R:\ a_n\ge m\ \forall n\bigr)$;
  • strettamente crescente se $a_n\lt a_{n+1}\ \forall n$; crescente se $a_n\le a_{n+1}\ \forall n$; analogamente (strettamente) decrescente;
  • monotòna se vale una delle quattro; strettamente monotòna se vale una delle due strette.

$\max\{a_n\}:=\max\operatorname{Im}a_n$, e così $\min$, $\sup$, $\inf$. In pratica: $$\sup\{a_n\}=\Lambda\iff\begin{cases}\text{(i)}\ a_n\le\Lambda\quad\forall n\\ \text{(ii)}\ \forall\eps>0\ \exists n_\eps:\ a_{n_\eps}>\Lambda-\eps\end{cases}\qquad \inf\{a_n\}=\lambda\iff\begin{cases}\text{(i)}\ a_n\ge\lambda\quad\forall n\\ \text{(ii)}\ \forall\eps>0\ \exists n_\eps:\ a_{n_\eps}\lt\lambda+\eps\end{cases}$$ e $\max\{a_n\}=M$ se $a_n\le M$ per ogni $n$ e $\exists n_0$ con $a_{n_0}=M$.

Per la monotonia si studia la disuguaglianza $a_n\lt a_{n+1}$ (o il segno di $a_{n+1}-a_n$; se $a_n>0$ si può confrontare $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ con $1$).

Gli esempi svolti a lezione

$a_n=n^3$ è strettamente crescente: $n^3\lt(n+1)^3=n^3+3n^2+3n+1$, vero per ogni $n$ perché $3n^2+3n+1>0$.

$b_n=\frac1n$ è strettamente decrescente: $\frac1n>\frac1{n+1}\iff n+1>n$, sempre vero.

$c_n=(-1)^n$ non è monotòna: i termini alternano $1,-1,1,\dots$

$a_n=n^3$ è illimitata superiormente: si deve mostrare che $\forall M\ \exists n_0:\ a_{n_0}>M$. Fissato $M$, si ha $n^3>M\iff n>\sqrt[3]M$, e basta prendere $n_0=\left[\sqrt[3]M\right]+1$. Se $M\lt 0$ va bene qualunque $n$: per stare sicuri si può prendere $n_0=\max\left\{0,\left[\sqrt[3]M\right]+1\right\}$, che è sempre un naturale.

$b_n=\frac1n$ ($n\ge1$): $\max=1$, $\inf=0$ ma niente minimo. Il massimo: $\frac1n\le1$ per ogni $n$ e $b_1=1$. L'estremo inferiore: (i) $\frac1n\ge0$ per ogni $n$; (ii) fissato $\eps>0$, si cerca $n_\eps$ con $\frac1{n_\eps}\lt 0+\eps\iff n_\eps>\frac1\eps$, e basta $n_\eps=\left[\frac1\eps\right]+1$. Il minimo non c'è perché $0\notin\operatorname{Im}b_n$. In alternativa: i minoranti di $\operatorname{Im}b_n$ sono $(-\infty,0]$, e $\inf=\max(-\infty,0]=0$.

Proprietà vere definitivamente

Definizione

$P(n)$ è vera definitivamente se $\exists N\in\N$ tale che $P(n)$ è vera per ogni $n>N$. Equivalentemente: $P(n)$ è falsa al più per un numero finito di indici.

✓ Perché è la nozione giusta

Il limite dipende solo dalla coda della successione: modificare o eliminare finiti termini non cambia né l'esistenza né il valore del limite. Per questo quasi tutte le ipotesi dei teoremi che seguono sono richieste solo «definitivamente».

Da non confondere con «per infiniti indici»: $(-1)^n>0$ vale per infiniti $n$, ma non definitivamente.

4 · Il limite di una successione

Definizione — limite finito

$$\lim_{n\to\infty}a_n=L\in\R\quad\overset{\text{def}}{\iff}\quad \forall\eps>0\ \ \exists N\in\N\ :\ \forall n>N,\quad |a_n-L|<\eps.$$

Definizione — limiti infiniti

$$\lim_n a_n=+\infty\iff \forall M\in\R\ \exists N:\ \forall n>N,\ a_n>M;$$ $$\lim_n a_n=-\infty\iff \forall M\in\R\ \exists N:\ \forall n>N,\ a_n\lt M.$$

↳ Le stesse definizioni con la notazione degli appunti (Lezione 6)

Il prof scrive $\ell$ per il limite e $\nu_\eps$ (si legge «nu epsilon») per l'indice: $$\lim_{n\to+\infty}a_n=\ell\iff\forall\eps>0\ \exists\nu_\eps\in\N:\ |a_n-\ell|\lt\eps\quad\forall n>\nu_\eps$$ $$\lim_{n\to+\infty}a_n=+\infty\iff\forall M>0\ \exists\nu_M\in\N:\ a_n>M\quad\forall n>\nu_M$$ $$\lim_{n\to+\infty}a_n=-\infty\iff\forall M>0\ \exists\nu_M\in\N:\ a_n\lt -M\quad\forall n>\nu_M$$

Sono le definizioni del riquadro sopra con altre lettere: chiedere $M>0$ invece di $M\in\R$ non cambia nulla. Lettura geometrica: i punti $P_n=(n,a_n)$ stanno definitivamente nella striscia $S_{\ell,\eps}=\{(x,y):|y-\ell|\lt\eps\}$, oppure nel semipiano $\{y>M\}$ per $+\infty$ e $\{y\lt -M\}$ per $-\infty$. All'esame usa pure la notazione del prof.

Le due verifiche con la definizione svolte a lezione

$\lim\frac1n=0$. Fissato $\eps>0$: $\left|\frac1n-0\right|\lt\eps\iff-\eps\lt\frac1n\lt\eps$. La disuguaglianza di sinistra è sempre vera, quella di destra equivale a $n>\frac1\eps$. Si prende $\nu_\eps=\left[\frac1\eps\right]+1$, e allora $\left|\frac1n-0\right|\lt\eps$ per ogni $n>\nu_\eps$.

$\lim n^2=+\infty$. Fissato $M>0$: $n^2>M\iff n>\sqrt M$, perché $n\ge0$ e la soluzione $n\lt -\sqrt M$ va scartata. Si prende $\nu_M=\left[\sqrt M\right]+1$, e allora $n^2>M$ per ogni $n>\nu_M$.

Come leggerla. «Comunque si scelga una striscia orizzontale attorno a $L$, per quanto sottile, tutti i termini da un certo indice in poi ci cadono dentro.» Fuori dalla striscia restano al più finiti termini. L'indice $N$ dipende da $\eps$ — più sottile è la striscia, più in là bisogna spostarsi — e per questo si scrive spesso $N(\eps)$.

Il gioco di ε e N

Visualizzatore della definizione di limitestringi ε e guarda dove si sposta N
0.30
40
Terminologia
  • convergente: ha limite finito;
  • divergente: ha limite $+\infty$ o $-\infty$;
  • regolare: ha limite (finito o infinito) — cioè convergente oppure divergente;
  • irregolare (indeterminata, oscillante): non ha limite.
Come si dimostra che una successione è irregolare?

Esibendo due sottosuccessioni con limiti diversi. Se il limite esistesse, per unicità ogni sottosuccessione dovrebbe tendere allo stesso valore. Per $a_n=(-1)^n$: $a_{2k}=1\to1$ e $a_{2k+1}=-1\to-1$, dunque il limite non esiste. È l'unico metodo che ti serve nella prima parte del corso.

Negare la definizione (Lezione 6): $a_n\not\to\ell$ se $\exists\eps>0$ tale che infiniti punti $P_n=(n,a_n)$ stanno fuori dalla striscia $S_{\ell,\eps}$. Se questo vale per ogni $\ell\in\R$, la successione non ha limite finito.

Gli esempi della lezione. $a_n=\sin(n\pi)$ vale $0$ per ogni $n$, quindi ha limite $0$, anche se «sembra» oscillare. Invece $a_n=\sin\left(n\frac\pi2\right)$ vale $0,1,0,-1,0,1,\dots$: $a_{2k}\to0$, $a_{4k+1}\to1$, $a_{4k+3}\to-1$, quindi non ammette limite.

Unicità del limite dim. scritto · n° 5

Teorema

Se una successione $\{a_n\}$ ammette limite, allora questo è unico: se $a_n\to\ell_1$ e $a_n\to\ell_2$, allora $\ell_1=\ell_2$.

Dimostrazione a passi coperti
Impostazione (per assurdo, come negli appunti)
Supponiamo che $\{a_n\}$ abbia due limiti diversi, $\ell_1\ne\ell_2$. Dalla definizione: $$\forall\eps>0\ \exists\nu_{1,\eps}:\ |a_n-\ell_1|\lt\eps\ \ \forall n>\nu_{1,\eps},\qquad \forall\eps>0\ \exists\nu_{2,\eps}:\ |a_n-\ell_2|\lt\eps\ \ \forall n>\nu_{2,\eps}.$$
Da quale indice valgono entrambe?
Posto $\nu_\eps:=\max\{\nu_{1,\eps},\nu_{2,\eps}\}$, per ogni $n>\nu_\eps$ valgono insieme $|a_n-\ell_1|\lt\eps$ e $|a_n-\ell_2|\lt\eps$.
Si stima $|\ell_1-\ell_2|$: quale strumento?
Si aggiunge e toglie $a_n$ e si usa la disuguaglianza triangolare: per $n>\nu_\eps$ $$|\ell_1-\ell_2|=|\ell_1-a_n+a_n-\ell_2|\le|a_n-\ell_1|+|a_n-\ell_2|\lt 2\eps.$$
La scelta di $\eps$ che produce l'assurdo
La stima vale per ogni $\eps>0$. Si sceglie $\eps:=\dfrac{|\ell_1-\ell_2|}{2}$, che è $>0$ perché $\ell_1\ne\ell_2$: si ottiene $|\ell_1-\ell_2|\lt 2\eps=|\ell_1-\ell_2|$, cioè un numero strettamente minore di sé stesso. Assurdo, quindi $\ell_1=\ell_2$. $\blacksquare$

Lettura geometrica (il disegno degli appunti): con quell'$\eps$ le strisce $S_{\ell_1,\eps}$ e $S_{\ell_2,\eps}$ sono disgiunte, ma i punti $P_n$ dovrebbero stare definitivamente in entrambe.

Altra versione possibile (equivalente): con $\ell_1\lt\ell_2$ e $\eps=\frac{\ell_2-\ell_1}{2}$ si trova definitivamente $a_n\lt\frac{\ell_1+\ell_2}2\lt a_n$. Errore tipico in entrambe: prendere $\eps=|\ell_1-\ell_2|$ invece della metà, perché allora le strisce si sovrappongono e non nasce alcuna contraddizione.

Ogni successione convergente è limitata dim. scritto · n° 6

Teorema

Se $a_n\to L\in\R$, allora esiste $M>0$ con $|a_n|\le M$ per ogni $n\in\N$.

Dimostrazione a passi coperti
Quale $\eps$ si sceglie?
Uno qualunque, per esempio $\eps=1$: la definizione vale per ogni $\eps$, quindi in particolare per questo. $\exists N:\ \forall n>N,\ |a_n-L|<1$.
Come si stima la coda?
Con la disuguaglianza triangolare: $|a_n|=|(a_n-L)+L|\le|a_n-L|+|L|<1+|L|$ per $n>N$.
E i primi termini?
Sono in numero finito: l'insieme $\{|a_0|,\dots,|a_N|\}$ è finito, quindi ammette massimo.
La conclusione
$M:=\max\{|a_0|,\dots,|a_N|,\,1+|L|\}$ maggiora tutti i termini. $\blacksquare$
Negli appunti la costante si chiama $K$ e l'indice $\nu_1$: $K:=\max\{|a_0|,\dots,|a_{\nu_1}|,\,1+|\ell|\}$, da cui $|a_n|\le K$ per ogni $n$. A pagina 6 i primi termini sono scritti senza valore assoluto: servono i moduli, altrimenti un termine molto negativo non verrebbe controllato.
✗ Il viceversa è falso

$a_n=(-1)^n$ è limitata ma non converge. Tieni pronto questo controesempio: la domanda «vale anche il viceversa?» compare quasi sempre. Conseguenza utile in senso contrario: una successione non limitata non può convergere.

5 · I teoremi sui limiti

Algebra dei limiti dim. orale

Se $a_n\to L\in\R$ e $b_n\to M\in\R$: $$a_n\pm b_n\to L\pm M,\qquad a_nb_n\to LM,\qquad \frac{a_n}{b_n}\to\frac LM\ (M\ne0),\qquad |a_n|\to|L|.$$

Aritmetica estesa e forme indeterminate

Per $L\in\R$: $L+\infty=+\infty$, $L\cdot(+\infty)=\pm\infty$ secondo il segno di $L$, $\frac{L}{\pm\infty}=0$, $\frac{L}{0^+}=\pm\infty$ secondo il segno di $L$.

Le sette forme indeterminate: $$\infty-\infty,\qquad 0\cdot\infty,\qquad \frac\infty\infty,\qquad \frac00,\qquad 1^\infty,\qquad \infty^0,\qquad 0^0.$$

Perché «indeterminata» e non «impossibile»?

Perché il limite esiste eccome, ma non è determinato dai soli limiti dei fattori. Con $a_n=n^2$ e $b_n=n$, entrambe $\to+\infty$: $a_n-b_n\to+\infty$; $b_n-a_n\to-\infty$; ma $(n+1)-n\to1$. Stessa forma $\infty-\infty$, tre risultati diversi. Servono informazioni più fini: gerarchia degli infiniti, limiti notevoli, o-piccoli.

L'algebra dei limiti in tabelle (Lezione 7)

Le tabelle della lezione, con $a_n\to a$ e $b_n\to b$. Una casella con «f.i.» è una forma indeterminata: il risultato dipende dalle successioni, non solo dai loro limiti.

Somma $a_n+b_n$Prodotto $a_n\,b_n$
$a$$b$limite$a$$b$limite
$a\in\R$$b\in\R$$a+b$$a\in\R$$b\in\R$$ab$
$a\in\R$$\pm\infty$$\pm\infty$$a>0$$\pm\infty$$\pm\infty$
$+\infty$$+\infty$$+\infty$$a\lt 0$$\pm\infty$$\mp\infty$
$-\infty$$-\infty$$-\infty$$\pm\infty$$\pm\infty$$+\infty$
$+\infty$$-\infty$f.i.$\pm\infty$$\mp\infty$$-\infty$
$0$$\pm\infty$f.i.
Quoziente $\dfrac{a_n}{b_n}$ ($b_n\ne0$ definitivamente)Potenza $a_n^{\,b_n}$ ($a_n>0$)
$a$$b$limite$a$$b$limite
$a\in\R$$b\ne0$$\dfrac ab$$a>0$$b\in\R$$a^b$
$a\in\R$$\pm\infty$$0$$0\le a\lt 1$$+\infty$$0$
$\pm\infty$$b>0$$\pm\infty$$0\le a\lt 1$$-\infty$$+\infty$
$\pm\infty$$b\lt 0$$\mp\infty$$a>1$$+\infty$$+\infty$
$a>0$$0$$+\infty$ se $b_n>0$ def.
$-\infty$ se $b_n\lt 0$ def.
non esiste altrimenti
$a>1$$-\infty$$0$
$0$$0$f.i.$+\infty$$b>0$ / $b\lt 0$$+\infty$ / $0$
$\pm\infty$$\pm\infty$f.i.$+\infty$$+\infty$ / $-\infty$$+\infty$ / $0$

Per $a\lt 0$ nel quoziente per $0$ i segni si scambiano. Il caso $a_n\to-\infty$ nelle potenze la lezione lo tralascia: apre troppi casi.

⚠ Le sette forme indeterminate, nella forma del prof

$$+\infty-\infty,\qquad 0\cdot(\pm\infty),\qquad \frac00,\qquad \frac{\pm\infty}{\pm\infty},\qquad 0^0,\qquad 1^{\pm\infty},\qquad (+\infty)^0.$$ E un caso che non è indeterminato ma spesso non esiste: $\dfrac{a}{b_n}$ con $a\ne0$ e $b_n\to0$ senza segno costante. Esempio della lezione: $a_n=1$, $b_n=\frac{(-1)^n}{n}\to0$, e $\frac{a_n}{b_n}=(-1)^n n$ non ha limite ($+\infty$ sui pari, $-\infty$ sui dispari).

Gli esempi della lezione: come si scioglie una forma indeterminata
  • $(n+1)^2-(n-1)^2$ è $+\infty-\infty$; svolgendo i quadrati vale $4n\to+\infty$.
  • $(n+1)^2-(n+3)^2$ è $+\infty-\infty$; vale $-4n-8\to-\infty$. Stessa forma, risultato opposto.
  • $\dfrac{n+1}{n^2}=\dfrac{1+\frac1n}{n}\to0$ e $\dfrac{n-1}{n}=1-\dfrac1n\to1$: due forme $\frac{\infty}{\infty}$ con limiti diversi.
  • $\dfrac{1/n^2}{1/n}=\dfrac1n\to0$ e $\dfrac{1/n^2}{1/n^3}=n\to+\infty$: due forme $\frac00$ con limiti diversi.
Teorema: limite della somma, dimostrato come a lezione dim. orale

Enunciato. Se $a_n\to a\in\R$ e $b_n\to b\in\R$, allora $a_n+b_n\to a+b$.

Le due ipotesi tradotte
$\forall\eps>0\ \exists\nu_{\eps,1}:\ |a_n-a|\lt\eps\ \ \forall n>\nu_{\eps,1}$  e  $\forall\eps>0\ \exists\nu_{\eps,2}:\ |b_n-b|\lt\eps\ \ \forall n>\nu_{\eps,2}$.
Da quale indice valgono entrambe?
Da $\nu_\eps:=\max\{\nu_{\eps,1},\nu_{\eps,2}\}$ in poi.
Lo strumento per stimare la somma
La disuguaglianza triangolare: per $n>\nu_\eps$ $$|(a_n+b_n)-(a+b)|=|a_n-a+b_n-b|\le|a_n-a|+|b_n-b|\lt 2\eps.$$
Perché «$\lt 2\eps$» basta?
Perché $\eps$ è arbitrario: $2\eps$ è a sua volta un numero positivo arbitrario. Se si vuole proprio «$\lt\eps$», si parte da $\frac\eps2$ al posto di $\eps$. Quindi $a_n+b_n\to a+b$. $\blacksquare$

Permanenza del segno dim. scritto · n° 7

Teorema

Se $a_n\to L$ con $L>0$, allora $a_n>\dfrac L2>0$ definitivamente. Simmetricamente per $L<0$.

Dimostrazione

Poiché $L>0$, la scelta $\eps=\frac L2>0$ è lecita. Per definizione $\exists N$ tale che, per $n>N$, $$|a_n-L|<\frac L2\iff L-\frac L2\lt a_n\lt L+\frac L2,$$ quindi in particolare $a_n>\frac L2>0$. $\blacksquare$

Se $L=+\infty$: applicando la definizione con $M=1$ si ottiene $a_n>1>0$ definitivamente.

I due corollari: il segno del limite e il confronto dim. orale

Lezione 7 (5 ottobre). La proprietà del confronto è nel programma con (**).

Corollario 1 · la permanenza del segno letta al contrario

Se $a_n\to a$ e $a_n\ge0$ definitivamente, allora $$a\ge0.$$

Dimostrazione a passi coperti
Che tecnica si usa?
Per assurdo: si suppone che la tesi sia falsa, cioè $a\lt 0$.
Quale teorema si può applicare, e che cosa dice?
La permanenza del segno nella versione con limite negativo: se $a\lt 0$, allora $a_n\lt 0$ definitivamente.
Dov'è l'assurdo?
Per ipotesi $a_n\ge0$ definitivamente. Da un certo indice in poi varrebbero insieme $a_n\ge0$ e $a_n\lt 0$: impossibile. Quindi $a\ge0$. $\blacksquare$
Corollario 2 · proprietà del confronto

Se $a_n\to a$, $b_n\to b$ (finiti) e $a_n\ge b_n$ definitivamente, allora $$a\ge b.$$

Dimostrazione a passi coperti
Come ci si riporta al corollario 1?
Guardando la differenza $c_n:=a_n-b_n$, che per ipotesi è $\ge0$ definitivamente.
A che cosa tende $c_n$, e perché?
Ad $a-b$, per l'algebra dei limiti: entrambi i limiti sono finiti, quindi il limite della differenza è la differenza dei limiti.
Conclusione
$c_n\ge0$ definitivamente e $c_n\to a-b$: per il corollario 1, $a-b\ge0$, cioè $a\ge b$. $\blacksquare$

Alternativa diretta, senza corollario 1: per assurdo $a\lt b$; con $\eps=\frac{b-a}2$ si trova definitivamente $a_n\lt\frac{a+b}2\lt b_n$, contro $a_n\ge b_n$.

✗ Passando al limite, «>» diventa «≥» — l'errore più frequente del corso

Anche con l'ipotesi stretta la tesi resta larga:

  • $a_n>0$ per ogni $n$ e $a_n\to a$ $\Rightarrow$ $a\ge0$, non $a>0$. Controesempio: $a_n=\frac1n>0$, ma $a=0$.
  • $a_n>b_n$ per ogni $n$ $\Rightarrow$ $a\ge b$, non $a>b$. Controesempio: $a_n=\frac1n>0=b_n$, ma i due limiti valgono entrambi $0$.
↳ Permanenza e corollario 1: due facce della stessa idea

La permanenza va dal limite alla successione: limite $>0$ $\Rightarrow$ termini $>0$ definitivamente (stretto, perché la striscia attorno ad $a$ sta tutta sopra lo zero). Il corollario 1 va dalla successione al limite: termini $\ge0$ $\Rightarrow$ limite $\ge0$ (largo, perché i termini possono avvicinarsi a $0$ quanto vogliono). Non sono la stessa frase al contrario: cambia anche il tipo di disuguaglianza.

Teorema del confronto (due carabinieri) dim. scritto · n° 8

Teorema

Se $a_n\le b_n\le c_n$ definitivamente e $a_n\to L$, $c_n\to L$ con $L\in\R$, allora $b_n\to L$.

I due carabinieri$-\frac1n\le\frac{\sin n}{n}\le\frac1n$
34
Dimostrazione a passi coperti
Da dove si parte
Sia $\eps>0$ fissato ad arbitrio. Bisogna esibire $N$ tale che $|b_n-L|<\eps$ per $n>N$.
Le tre ipotesi tradotte
$\exists N_1: n>N_1\Rightarrow L-\eps\lt a_n\lt L+\eps$; $\exists N_2: n>N_2\Rightarrow L-\eps\lt c_n\lt L+\eps$; $\exists N_3: n>N_3\Rightarrow a_n\le b_n\le c_n$.
Come si combinano?
Con $N=\max\{N_1,N_2,N_3\}$ valgono tutte e tre insieme: $L-\eps\lt a_n\le b_n\le c_n\lt L+\eps$.
Conclusione
Dalla catena, $|b_n-L|<\eps$ per ogni $n>N$. Per l'arbitrarietà di $\eps$, $b_n\to L$. $\blacksquare$

Negli appunti le lettere sono diverse: $a_n\le c_n\le b_n$, quindi la successione «in mezzo» è $c_n$ e i carabinieri sono $a_n$ e $b_n$. Il ragionamento è identico.

Nota cruciale: l'esistenza del limite di $(b_n)$ non è ipotesi — è la tesi. È proprio questo a rendere il teorema utile su successioni «brutte» come $\frac{\sin n}{n}$.

Confronto per limiti infiniti (Lezione 8)

Per i limiti infiniti basta un solo carabiniere: $$a_n\le b_n\ \ \forall n,\ \ a_n\to+\infty\ \Longrightarrow\ b_n\to+\infty;\qquad\qquad a_n\le b_n\ \ \forall n,\ \ b_n\to-\infty\ \Longrightarrow\ a_n\to-\infty.$$ Perché: se $a_n>M$ da un certo indice in poi, a maggior ragione $b_n\ge a_n>M$. È quello che si usa per dimostrare $a^n\to+\infty$ con Bernoulli.

Successioni infinitesime; infinitesima per limitata dim. orale

Lezione 8. Il (**) viene dalla guida allo studio della settimana 4.

Definizione e lemma

$\{a_n\}$ si dice infinitesima se $a_n\to0$.
Lemma. $a_n\to0\iff|a_n|\to0$. (Basta guardare la definizione: $|a_n-0|=\bigl||a_n|-0\bigr|$.)

Teorema

Siano $\{a_n\}$ limitata e $\{b_n\}$ infinitesima. Allora $a_nb_n\to0$.

Dimostrazione a passi coperti
Che cosa danno le due ipotesi?
$\{a_n\}$ limitata: $\exists M>0$ con $|a_n|\le M$ per ogni $n$. $\{b_n\}$ infinitesima: per il lemma anche $|b_n|\to0$.
Quali sono i due carabinieri?
$$0\le|a_nb_n|=|a_n|\,|b_n|\le M|b_n|\longrightarrow0.$$
Conclusione
Per i due carabinieri $|a_nb_n|\to0$, e per il lemma $a_nb_n\to0$. $\blacksquare$
↳ Gli esempi della lezione
  • $\dfrac{\sin n}{n}=\sin n\cdot\dfrac1n\to0$: $|\sin n|\le1$ è limitata e $\frac1n$ è infinitesima. L'algebra dei limiti qui non serve a niente, perché $\sin n$ non ha limite.
  • $a_n=n$ e $b_n=\frac1n$: $a_nb_n=1\to1$, non $0$. La limitatezza è necessaria: senza, il teorema è falso.

Regolarità delle successioni monotòne dim. scritto · n° 9

Teorema

Ogni successione monotòna è regolare. Se $(a_n)$ è crescente, $$\lim_n a_n=\sup_n a_n,$$ finito se limitata superiormente, $+\infty$ altrimenti. Simmetricamente, se decrescente il limite è $\inf_n a_n$.

Dimostrazione a passi coperti
Chi è il candidato limite, e perché esiste?
$L=\sup\{a_n:n\in\N\}$. Esiste finito per la proprietà di completezza di $\R$, perché l'insieme è non vuoto e limitato superiormente.
Quale proprietà del sup si usa?
La caratterizzazione (2): dato $\eps>0$, $L-\eps$ non è un maggiorante, quindi $\exists N$ con $a_N>L-\eps$.
Dove entra la monotonia?
Propaga la disuguaglianza da un solo indice a tutta la coda: per $n>N$, $a_n\ge a_N>L-\eps$.
La stima dall'alto e la conclusione
$L$ è maggiorante, quindi $a_n\le L\lt L+\eps$ per ogni $n$. Insieme: $L-\eps\lt a_n\lt L+\eps$ per $n>N$, cioè $|a_n-L|<\eps$. Dunque $a_n\to L$. $\blacksquare$
Caso illimitato superiormente
Dato $M\in\R$, esso non è maggiorante, quindi $\exists N: a_N>M$; per monotonia $a_n\ge a_N>M$ per $n>N$. Dunque $a_n\to+\infty$. $\blacksquare$

Il numero di Nepero

Definizione

$$e:=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^{n}.$$

Perché la definizione di $e$ è ben postacrescente e limitata ⇒ converge
✓ La risposta alla domanda «perché è ben posta?»

È una forma indeterminata $1^\infty$: non si può concludere direttamente. Si dimostra invece che $a_n=\left(1+\frac1n\right)^n$ è strettamente crescente e limitata superiormente (per esempio da $3$); per il teorema sulla regolarità delle successioni monotòne essa converge, e il limite si chiama $e$. Dietro, ancora una volta, c'è la completezza di $\R$.

Generalizzazione da ricordare: $\left(1+\frac cn\right)^{\alpha n}\to e^{\,\alpha c}$.

6 · Calcolo dei limiti

Limiti notevoli dim. orale

Per $x_n\to0$ (con $x_n\ne0$ definitivamente):

$$\frac{\sin x_n}{x_n}\to1,\quad \frac{1-\cos x_n}{x_n^{2}}\to\frac12,\quad \frac{\tan x_n}{x_n}\to1,\quad \frac{\arctan x_n}{x_n}\to1,$$ $$\frac{e^{x_n}-1}{x_n}\to1,\quad \frac{\ln(1+x_n)}{x_n}\to1,\quad \frac{(1+x_n)^{\alpha}-1}{x_n}\to\alpha.$$

I limiti notevoli, visti da vicinozooma verso $x=0$
4

I limiti notevoli della Lezione 8, con le dimostrazioni

Nell'ordine e con le lettere della lezione. Sono il (**) «limiti notevoli» del programma: all'orale si chiede di dimostrarli.

(a) La successione geometrica $a^n$

$$\lim_{n\to\infty}a^n=\begin{cases}+\infty & a>1\\ 1 & a=1\\ 0 & -1\lt a\lt 1\\ \text{non esiste} & a\le-1\end{cases}$$

Dimostrazione a passi coperti
$a>1$: quale disuguaglianza si usa, con quale $x$?
Bernoulli, $(1+x)^n\ge1+nx$ per $x>-1$, con $x=a-1>0$: $$a^n=(1+(a-1))^n\ge1+n(a-1)\longrightarrow+\infty,$$ perché $a-1>0$. Per il confronto per limiti infiniti, $a^n\to+\infty$.
$a=1$
$1^n=1$ per ogni $n$: è costante.
$-1\lt a\lt 1$, $a\ne0$: come ci si riporta al primo caso?
$$|a^n|=|a|^n=\frac{1}{\left(\frac1{|a|}\right)^n}\longrightarrow0,$$ perché $\frac1{|a|}>1$ e quindi $\left(\frac1{|a|}\right)^n\to+\infty$ per il primo caso. Per il lemma, $a^n\to0$. (Per $a=0$ è ovvio.)
$a\le-1$: perché non esiste?
Due sottosuccessioni con limiti diversi: $a^{2k}\to1$ se $a=-1$ e $\to+\infty$ se $a\lt -1$; $a^{2k+1}\to-1$ se $a=-1$ e $\to-\infty$ se $a\lt -1$. $\blacksquare$
(b) La radice $n$-esima

Se $a>0$, allora $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{a}=1$. Inoltre, per ogni $b\in\R$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{n^b}=1$.

Dimostrazione a passi coperti (il caso $\sqrt[n]a$)
Caso $a\ge1$: quale successione si studia?
$b_n:=\sqrt[n]a-1$, che è $\ge0$ perché $a\ge1$. Bisogna mostrare $b_n\to0$.
Di nuovo Bernoulli: che cosa dà?
Con $x=b_n>-1$: $(1+b_n)^n\ge1+nb_n$, cioè $\left(\sqrt[n]a\right)^n=a\ge1+nb_n$.
I due carabinieri
$$0\le b_n\le\frac{a-1}{n}\longrightarrow0,$$ quindi $b_n\to0$, cioè $\sqrt[n]a\to1$.
Caso $0\lt a\lt 1$: come ci si riporta al caso precedente?
$\dfrac1a>1$, quindi $\sqrt[n]a=\dfrac{1}{\sqrt[n]{1/a}}\to\dfrac11=1$ per l'algebra dei limiti. $\blacksquare$
(c) Il numero $e$ con una successione qualsiasi

Se $a_n\to+\infty$ oppure $a_n\to-\infty$, allora per ogni $\alpha\in\R$ $$\left(1+\frac{\alpha}{a_n}\right)^{a_n}\longrightarrow e^{\alpha}.$$

La disuguaglianza fondamentale

Per $0\lt |x|\le\dfrac\pi2$: $$\cos x\lt\frac{\sin x}{x}\lt 1.$$

Dimostrazione con le aree (il disegno della lezione)

Nella circonferenza unitaria con centro $A$, sia $B=(1,0)$, $C$ il punto dell'arco a distanza angolare $x\in\left(0,\frac\pi2\right)$ da $B$, e $D$ il punto della retta tangente in $B$ allineato con $A$ e $C$. Le tre figure sono una dentro l'altra: $$\text{triangolo }ABC\ \subset\ \text{settore }ACB\ \subset\ \text{triangolo }ABD\quad\Longrightarrow\quad \frac{\sin x}{2}\lt\frac x2\lt\frac{\tan x}{2}.$$

Moltiplicando per $\frac{2}{\sin x}>0$: $1\lt\dfrac{x}{\sin x}\lt\dfrac{1}{\cos x}$. Sono tutti positivi, quindi passando ai reciproci il verso si inverte: $\cos x\lt\dfrac{\sin x}{x}\lt1$.

Per $x\lt 0$: $\cos x$ è pari e $\frac{\sin x}{x}$ è pari (rapporto di due funzioni dispari), quindi la disuguaglianza vale anche in $\left[-\frac\pi2,0\right)$. $\blacksquare$

Il disegno funziona per $0\lt x\lt\frac\pi2$: in $x=\frac\pi2$ la tangente non è definita e il triangolo $ABD$ non esiste. Lì la disuguaglianza si verifica a mano: $0\lt\frac2\pi\lt1$.

(d) Seno e coseno di una successione infinitesima

Se $a_n\to0$ (e $a_n\ne0$ dove serve dividere): $$\sin a_n\to0,\qquad \cos a_n\to1,\qquad \frac{\sin a_n}{a_n}\to1,\qquad \frac{1-\cos a_n}{a_n^2}\to\frac12.$$

Dimostrazione a passi coperti
$\sin a_n\to0$: da dove si parte?
Dalla disuguaglianza fondamentale (vale definitivamente, perché $a_n\to0$ fa sì che $|a_n|\le\frac\pi2$ da un certo indice): $\left|\frac{\sin a_n}{a_n}\right|\lt1$, cioè $0\le|\sin a_n|\lt|a_n|\to0$. Carabinieri e lemma: $\sin a_n\to0$.
$\cos a_n\to1$: il trucco del prodotto notevole
Definitivamente $\cos a_n>0$, quindi $1+\cos a_n>1$ e $$0\le1-\cos a_n=\frac{(1-\cos a_n)(1+\cos a_n)}{1+\cos a_n}=\frac{\sin^2a_n}{1+\cos a_n}\lt\sin^2a_n\to0$$ per l'algebra dei limiti. Carabinieri: $1-\cos a_n\to0$.
$\frac{\sin a_n}{a_n}\to1$
$\cos a_n\lt\dfrac{\sin a_n}{a_n}\lt1$, e $\cos a_n\to1$: i due carabinieri tendono entrambi a $1$.
$\frac{1-\cos a_n}{a_n^2}\to\frac12$
$$\frac{1-\cos a_n}{a_n^2}\cdot\frac{1+\cos a_n}{1+\cos a_n}=\left(\frac{\sin a_n}{a_n}\right)^2\cdot\frac{1}{1+\cos a_n}\longrightarrow1\cdot\frac12. \quad\blacksquare$$
(e) Esponenziale e logaritmo di una successione infinitesima

Se $a_n\to0$ con $a_n\ne0$, e $\alpha\in\R$: $$(1+a_n)^{1/a_n}\to e,\qquad \frac{\log(1+a_n)}{a_n}\to1,\qquad \frac{e^{a_n}-1}{a_n}\to1,\qquad \frac{(1+a_n)^{\alpha}-1}{a_n}\to\alpha.$$ Negli appunti «$\log$» è il logaritmo naturale, in base $e$.

Dimostrazione dei primi tre (a passi coperti)
$(1+a_n)^{1/a_n}\to e$: a quale limite notevole si riduce?
Alla (c) con $\alpha=1$: posto $b_n=\frac1{a_n}$, si ha $(1+a_n)^{1/a_n}=\left(1+\frac1{b_n}\right)^{b_n}\to e$.
Serve che $b_n\to+\infty$ o $b_n\to-\infty$, cioè che $a_n$ abbia segno costante definitivamente; se cambia segno infinite volte si ragiona separatamente sui termini positivi e su quelli negativi.
$\frac{\log(1+a_n)}{a_n}\to1$: quale proprietà del logaritmo?
$\dfrac{\log(1+a_n)}{a_n}=\dfrac1{a_n}\log(1+a_n)=\log(1+a_n)^{1/a_n}\to\log e=1$.
$\frac{e^{a_n}-1}{a_n}\to1$: quale sostituzione?
$b_n:=e^{a_n}-1\to0$, e $a_n=\log(1+b_n)$. Allora $$\frac{e^{a_n}-1}{a_n}=\frac{b_n}{\log(1+b_n)}=\frac{1}{\;\frac{\log(1+b_n)}{b_n}\;}\to\frac11=1$$ per il punto precedente. $\blacksquare$

L'ultimo, $\frac{(1+a_n)^\alpha-1}{a_n}\to\alpha$, a lezione è stato solo enunciato.

(f) Rapporto tra polinomi

Regola

Siano $P(n)=a_kn^k+\dots+a_0$ di grado $k$ ($a_k\ne0$) e $Q(n)=b_hn^h+\dots+b_0$ di grado $h$ ($b_h\ne0$). Per $k,h\ge1$ il rapporto è una forma $\frac{\pm\infty}{\pm\infty}$; raccogliendo il monomio di grado massimo sopra e sotto: $$\frac{P(n)}{Q(n)}=\frac{n^k\left(a_k+a_{k-1}\frac1n+\dots+a_0\frac1{n^k}\right)}{n^h\left(b_h+b_{h-1}\frac1n+\dots+b_0\frac1{n^h}\right)}\longrightarrow\begin{cases}+\infty & k>h,\ \frac{a_k}{b_h}>0\\[3pt] -\infty & k>h,\ \frac{a_k}{b_h}\lt 0\\[3pt] \frac{a_k}{b_h} & k=h\\[3pt] 0 & k\lt h\end{cases}$$

Esempio della lezione: $\dfrac{n^5+n^4-2n^2}{-2n^3-n^2-2n}=n^2\cdot\dfrac{1+\frac1n-\frac2{n^3}}{-2-\frac1n-\frac2{n^2}}\to-\infty$: $k=5>h=3$ e $\frac{a_k}{b_h}=-\frac12\lt 0$.

Criterio del rapporto per successioni

Teorema

Sia $a_n>0$ e $b_n:=\dfrac{a_{n+1}}{a_n}$. Se $b_n\to b\lt 1$, allora $a_n\to0$.

Perché funziona (a lezione solo enunciato)

Si sceglie $q$ con $b\lt q\lt 1$. Definitivamente, da un certo $N$ in poi, $\frac{a_{n+1}}{a_n}\lt q$, cioè $a_{n+1}\lt q\,a_n$. Iterando, $0\lt a_{N+k}\lt q^k a_N$, e $q^ka_N\to0$ per la (a), perché $0\lt q\lt 1$. Carabinieri: $a_n\to0$. $\blacksquare$
Se $b>1$ invece $a_n\to+\infty$; se $b=1$ il criterio non dice niente ($\frac1n$ e $n$ hanno entrambe rapporto che tende a $1$).

(g) Le tre applicazioni della lezione

$$\frac{n^b}{\alpha^n}\to0\ \ (b>0,\ \alpha>1),\qquad\frac{\alpha^n}{n!}\to0\ \ (\alpha>1),\qquad\frac{n!}{n^n}\to0.$$

Dimostrazioni con il criterio del rapporto
  • $a_n=\dfrac{n^b}{\alpha^n}$: $\ \dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\left(\dfrac{n+1}{n}\right)^b\dfrac1\alpha=\left(1+\dfrac1n\right)^b\dfrac1\alpha\to\dfrac1\alpha\lt 1$.
  • $a_n=\dfrac{\alpha^n}{n!}$: $\ \dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{\alpha^{n+1}}{(n+1)!}\cdot\dfrac{n!}{\alpha^n}=\dfrac{\alpha}{n+1}\to0\lt 1$, perché $(n+1)!=(n+1)\,n!$.
  • $a_n=\dfrac{n!}{n^n}$: $\ \dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}}\cdot\dfrac{n^n}{n!}=\left(\dfrac{n}{n+1}\right)^n=\dfrac{1}{\left(1+\frac1n\right)^n}\to\dfrac1e\lt 1$.
(h) Logaritmo contro potenza

Per $a>1$ e $b>0$: $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{\log_a n}{n^b}=0$ (forma $\frac\infty\infty$).

Dimostrazione a passi coperti
La disuguaglianza di partenza
$2^x>x$ per ogni $x>0$: $\ 2^x\ge2^{[x]}=(1+1)^{[x]}\ge1+[x]>x$, usando Bernoulli e $[x]>x-1$.
Passare ai logaritmi
$\log_a$ è crescente ($a>1$): $\log_a x\lt\log_a 2^x=x\log_a2$. Con $x=n^{b/2}$: $$\frac b2\log_a n=\log_a n^{b/2}\lt n^{b/2}\log_a 2\ \Longrightarrow\ \frac{\log_a n}{n^{b/2}}\lt\frac2b\log_a 2.$$
Perché si è usato $n^{b/2}$ e non $n^b$?
Per avere un fattore $\frac1{n^{b/2}}$ in più che va a zero: per $n\ge2$ $$0\lt\frac{\log_a n}{n^b}=\frac{\log_a n}{n^{b/2}}\cdot\frac1{n^{b/2}}\lt\frac2b\,\frac{\log_a 2}{n^{b/2}}\longrightarrow0.$$ Carabinieri. $\blacksquare$

Gerarchia degli infiniti dim. orale

Teorema

Per $n\to+\infty$, con $\alpha,\beta>0$ e $a>1$: $$(\ln n)^{\beta}\ \ll\ n^{\alpha}\ \ll\ a^{\,n}\ \ll\ n!\ \ll\ n^{\,n},$$ dove $x_n\ll y_n$ significa $\dfrac{x_n}{y_n}\to0$.

Gerarchia degli infinitiscala logaritmica: si confrontano gli ordini
22
Come si dimostra ogni anello

Si usa il criterio del rapporto per successioni: se $c_n>0$ e $\frac{c_{n+1}}{c_n}\to\ell<1$, allora $c_n\to0$.

  • $\dfrac{n^\alpha}{a^n}$:   $\dfrac{c_{n+1}}{c_n}=\left(\dfrac{n+1}{n}\right)^{\alpha}\cdot\dfrac1a\to\dfrac1a<1$.
  • $\dfrac{a^n}{n!}$:   $\dfrac{c_{n+1}}{c_n}=\dfrac{a}{n+1}\to0<1$.
  • $\dfrac{n!}{n^n}$:   $\dfrac{c_{n+1}}{c_n}=\left(\dfrac{n}{n+1}\right)^{n}=\dfrac{1}{\left(1+\frac1n\right)^{n}}\to\dfrac1e<1$.
  • $\dfrac{(\ln n)^\beta}{n^\alpha}=\left(\dfrac{\ln n}{n^{\alpha/\beta}}\right)^{\beta}$, e $\dfrac{\ln n}{n^{\alpha/\beta}}\to0$ per il limite notevole (h), quello dimostrato a lezione con $2^x>x$.

Equivalenze asintotiche e o-piccoli

Definizioni

Con $b_n\ne0$ definitivamente: $$a_n=o(b_n)\ \overset{\text{def}}{\iff}\ \frac{a_n}{b_n}\to0\quad\text{(«$a_n$ è trascurabile rispetto a $b_n$»)},$$ $$a_n\sim b_n\ \overset{\text{def}}{\iff}\ \frac{a_n}{b_n}\to1\quad\text{(«asintoticamente equivalenti»)}.$$ Legame: $a_n\sim b_n\iff a_n=b_n+o(b_n)$. Inoltre $a_n\to0\iff a_n=o(1)$.

Algebra degli o-piccoli
  • $o(b_n)\pm o(b_n)=o(b_n)$  e  $c\cdot o(b_n)=o(b_n)$ per $c\ne0$;
  • $a_n\cdot o(b_n)=o(a_nb_n)$;   $o(a_n)\cdot o(b_n)=o(a_nb_n)$;   $o(o(b_n))=o(b_n)$;
  • assorbimento: se $a_n=o(b_n)$ allora $a_n+b_n\sim b_n$;
  • per $x\to0$: $o(x^{\alpha})+o(x^{\beta})=o(x^{\beta})$ se $\alpha>\beta$ — vince l'esponente più piccolo.
Sviluppi di Mac-Laurin da sapere a memoria ($x\to0$)

$$\sin x=x-\frac{x^3}{6}+o(x^3),\qquad \cos x=1-\frac{x^2}{2}+\frac{x^4}{24}+o(x^4),\qquad \tan x=x+\frac{x^3}{3}+o(x^3),$$ $$e^{x}=1+x+\frac{x^2}{2}+o(x^2),\qquad \ln(1+x)=x-\frac{x^2}{2}+o(x^2),\qquad (1+x)^{\alpha}=1+\alpha x+o(x),$$ $$\arctan x=x-\frac{x^3}{3}+o(x^3).$$

Quanto bene approssima lo sviluppo?più ordini ⇒ più aderenza vicino a 0
3
4
✗ Le due regole d'oro degli asintotici
  1. Mai sostituire dentro una somma. Da $n+1\sim n$ e $-n\sim-n$ non segue $(n+1)-n\sim n-n$: il primo membro vale $1$, il secondo $0$. Si sostituisce solo in prodotti, quozienti e potenze.
  2. Spingi tutti gli sviluppi allo stesso ordine. Se ti fermi troppo presto ottieni $\frac{o(x)}{x^2}$, che non è determinato; se ti fermi a ordini diversi, produci cancellazioni illecite. Guarda quale ordine serve al denominatore e sviluppa il numeratore almeno fino a lì.

Mettiti alla prova

Errori tipici della Sezione 2

  • Passare al limite conservando la disuguaglianza stretta. $a_n>0\Rightarrow L\ge0$, non $L>0$.
  • Credere che «limitata» implichi «convergente». $(-1)^n$.
  • Dedurre $a_n\to L$ da $|a_n|\to|L|$. Vale solo per $L=0$.
  • Usare l'algebra dei limiti su forme indeterminate, oppure su successioni di cui non si è verificata l'esistenza del limite.
  • Nel teorema dei carabinieri, supporre che $b_n$ abbia limite. È la tesi.
  • Sostituire equivalenze asintotiche dentro somme o dentro esponenti e logaritmi.
  • Fermare gli sviluppi all'ordine sbagliato e ritrovarsi con $\frac{o(x)}{x^2}$.
  • Scrivere $\frac{1-\cos x}{x^2}\to1$. Fa $\frac12$.
  • Passare al limite in una successione ricorsiva prima di aver dimostrato che il limite esiste. Monotonia + limitatezza vanno provate prima.