Funciones: Asíntotas horizontales, verticales y oblicuas.

Una asíntota es una recta a la cual la función se va aproximando indefinidamente.

Las asíntotas verticales pueden aparecer por dos motivos: 

1. Valores que anulan el denominador de una función: Por ejemplo la función $f(x) = \dfrac{1}{x}$ en $x = 0$.
2. Extremos de intervalo del dominio de la función que no están en el dominio: Por ejemplo la función $f(x) = \ln(x)$ en $x = 0$ cuando $x$ tiende a cero por la derecha. $(x \Rightarrow 0^+)$. Lo mismo vale para las funciones $f(x) = \log_a (x) \ a > 1$ y $f(x) = \log_b (x) \ 0 < b < 1$. 

Importante:

«Una función no puede tener una asíntota horizontal y otra oblicua por el mismo lado, por el mismo lado quiere decir, si $ x \rightarrow +\infty$ o si $ x \rightarrow - \infty$ »

Podemos tener una asíntota horizontal cuando $x \rightarrow + \infty$ y una asíntota oblicua cuando $x \rightarrow - \infty$ o viceversa. 

Las asíntotas horiontales, son las rectas horizontales $ y = k $ a la que se aproxima la función cuando $x \to + \infty $ y $x \to - \infty $

$$ \milmt{x}{+ \infty}{f(x)} = k \Longleftrightarrow y = k_1 $$ $$ \milmt{x}{- \infty}{f(x)} = k \Longleftrightarrow y = k_2 $$ $k_1$ y $k_2$ pueden ser iguales.

Las asíntotas oblicuas son de la forma $y = mx + n $, donde:

$$ m_1 = \milmt{x}{+ \infty}{\dfrac{\ f(x)\ }{x}} \text{ y } n_1 = \milmt{x}{+ \infty}{ f(x) - m_1 \cdot x } $$ $$ m_2 = \milmt{x}{- \infty}{\dfrac{\ f(x)\ }{x}} \text{ y } n_2 = \milmt{x}{- \infty}{ f(x) - m_2 \cdot x } $$
Los valores $m_1$ y $m_2$ pueden ser iguales. Las valores $n_1$ y $n_2$ pueden ser iguales.

Voy a poner dos ejemplos de funciones que tienen los tres tipos de asíntotas:

$$ f(x) = \dfrac{xe^x}{x + e^x} $$

$$f(x) = x^{\dfrac{|x|}{x}} + \dfrac{1}{x} $$

Límites de funciones. Indeterminación $1^{\infty}$

Para resolver límites si tenemos una indeterminación del tipo $1^{\infty}$ veremos que fórmula aplicar y de donde sale. Lo primero que tenemos que ver es el número $e$.

$$ e = \displaystyle{ \lim_{x \to +\infty} \left ( 1 + \dfrac{\ 1 \ }{x} \right )^{x} }$$

Pero también se cumple, si en lugar de $x$ es cualquier $f(x)$:

$$ \text{(1)} \ \ \ \ e = \displaystyle{ \lim_{x \to +\infty} \left ( 1 + \dfrac{\ 1 \ }{f(x)} \right )^{f(x)} }$$ 

Las indeterminaciones del tipo $1^{\infty}$ nos pueden aparecer cuando:

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} f(x)^{g(x)} = \left \{  1^{\infty} \right \} $$
$$\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)^{g(x)} = \left \{  1^{ \infty} \right \} $$
$$\displaystyle \lim_{ x \to a } f(x)^{g(x)} = \left \{  1^{ \infty} \right \} a \in \mathbb{R}$$

Para resolver límites de este estilo, siempre tenemos que ponerlos de la forma (1), veamos un ejemplo:

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (\dfrac{x + 3}{x + 1} \right )^{x + 5} = \left \{  1^{+\infty} \right \} = $$

Sumamos y restamos 1 en la base y hacemos la resta:

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{x + 3}{x + 1} - 1 \right )^{x + 5} = \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{x + 3}{x + 1} - \dfrac{x + 1}{x + 1} \right )^{x + 5} = $$

$$\displaystyle = \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{x + 3 - x - 1}{x + 1} \right )^{x + 5} = \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{2}{x + 1} \right )^{x + 5} = $$

Ahora tenemos que dejar 1 en el numerador de la base, ¿cómo lo conseguimos? Dividiendo numerador y denominador por el numerador, en este caso 2:

$$\displaystyle =  \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ \dfrac{2}{2} }{ \dfrac{x + 1}{2} } \right )^{x + 5}  =  \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{x + 1}{2} } \right )^{x + 5} = $$

Necesitamos que el exponente coincida con el denominador de la fracción de la base, como no coincide, multiplicamos y dividimos el exponente por el denominador de la fracción de la base:

$$\displaystyle =  \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{x + 1}{2} } \right )^{\dfrac{x + 1}{2} \cdot \dfrac{2}{x + 1}  \cdot (x + 5)} = \left [ \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{x + 1}{2} } \right )^{\dfrac{x + 1}{2}} \right ]^{ \dfrac{2}{x + 1}  \cdot (x + 5)} =$$

Lo de los corchetes es el número $e$ que ahora está elevado a una expresión cuyo límite queremos calcular:

$$ = e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty}  \dfrac{2}{x + 1}  \cdot (x + 5) } =  e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty}  \dfrac{2x + 10}{x + 1} } = e^{ \left \{ \dfrac{+\infty}{+\infty} \right \} } = e^{2} $$


Lo mismo que hemos hecho con este límite lo podríamos hacer en general, veámoslo:

Tenemos una función $f(x)$ tal que $\displaystyle \lim_{x \to +\infty} f(x) = 1$ y
otra función $g(x)$ tal que $\displaystyle \lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty$. Así 


$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} f(x)^{g(x)} = \left \{  1^{+\infty} \right \} = $$

Sumamos y restamos 1 en la base y hacemos la resta:

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (1 + f(x) - 1 \right )^{g(x)} =$$

Ahora tenemos que dejar 1 en el numerador de la base, ¿cómo lo conseguimos? Dividiendo numerador y denominador por el numerador, en este caso $f(x) - 1 $:
$$\displaystyle = \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{1}{f(x) - 1} } \right )^{g(x)} $$

Necesitamos que el exponente coincida con el denominador de la fracción de la base, como no coincide, multiplicamos y dividimos el exponente por el denominador de la fracción de la base:

$$\displaystyle =  \lim_{x \to +\infty} \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{1}{f(x) - 1} } \right )^{\dfrac{1}{f(x) - 1} \cdot (f(x) - 1) \cdot g(x)} = \lim_{x \to +\infty} \left [ \left (1 + \dfrac{ 1 }{ \dfrac{1}{f(x) - 1} } \right )^{\dfrac{1}{f(x) - 1} } \right ]^{ (f(x) - 1) \cdot g(x)} = $$

Lo de los corchetes es el número $e$ que ahora está elevado a una expresión cuyo límite queremos calcular:

$$ = e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty}  (f(x) - 1) \cdot g(x) } $$

Resumiendo

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} f(x)^{g(x)} = \left \{  1^{+\infty} \right \} = e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty}  (f(x) - 1) \cdot g(x) } $$

Si lo aplicamos al ejemplo anterior tenemos: 

$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (\dfrac{x + 3}{x + 1} \right )^{x + 5} = \left \{  1^{+\infty} \right \} =  e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (\dfrac{x + 3}{x + 1} - 1 \right ) \cdot \left ( x + 5 \right ) } =  e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (\dfrac{x + 3}{x + 1} - \dfrac{x + 1}{x + 1} \right ) \cdot \left ( x + 5 \right ) } = $$ 

$$ = e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left (\dfrac{x + 3 - x - 1}{x + 1} \right ) \cdot \left ( x + 5 \right ) } = e^{ \displaystyle \lim_{x \to +\infty} \dfrac{2 \cdot \left ( x + 5 \right )}{x + 1}  } =  e^{ \displaystyle \dfrac{\infty}{\infty} } = e^{ \displaystyle 2} $$  

Para terminar, los errores más típicos en este tipo de indeterminaciones es creer que la base tiende a 1 cuando no lo hace o que el exponente tiende a infinito cuando no es así. Veamos algunos ejemplos:

 $\bullet$ La base no tiende a 1:
$$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left ( \dfrac{3x + 2}{6x + 3} \right )^{x} = \left ( \dfrac{1}{2} \right)^{+\infty} = 0 $$

 $\bullet$ El exponente no tiende a $\infty$:
 $$\displaystyle \lim_{x \to +\infty} \left ( 1 + \dfrac{1}{x^2} \right )^{\dfrac{3x}{2x + 1}} = {\Large 1}^{ \displaystyle \normalsize 3/2 } = {\Large 1} $$

\[ \milmt{x}{\infty}{ \left( 1 - \mfrac{ 1 }{ x } \right )^x } = 1^{\infty} = e^{ \milmt{x}{0}{\ x \cdot \left( 1 - \mfrac{ 1 }{ x } - 1 \right ) }  } = e^{ \milmt{x}{0}{\ x \cdot \left( - \mfrac{ 1 }{ x } \right ) }  } = e^{-1} = \mfrac{1}{e} \]

\[ \milmt{x}{1}{ \left( \mfrac{ 1 }{ x } \right )^{\mfrac{1}{x^2 - 1}} } = 1^{\infty} = e^{ \milmt{x}{1}{\mfrac{1}{x^2 - 1} \cdot \left( \mfrac{ 1 }{ x } - 1 \right ) }  } = e^{ \milmt{x}{1}{\ \mfrac{-1}{1 - x^2} \cdot \left( \mfrac{ 1 - x }{ x } \right ) }  } = \]  \[ = e^{ \milmt{x}{1}{\ \mfrac{-1}{(1 - x)(1 + x)} \cdot \left( \mfrac{ 1 - x }{ x } \right ) }  } = e^{ \milmt{x}{1}{\ \left( \mfrac{ -1 }{ x(1 + x) } \right ) }  } = e^{-1/2} = \mfrac{1}{ \msqrt{e} } = \mfrac{ \msqrt{e} }{e} \]

Iremos actualizando esta sección con los ejercicios que nos pidáis, para ello podéis mandar un correo a profesor.maties@gmail.com