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Cálculo Diferencial e Integral II: Sustitución Trigonométrica

Introducción

En las últimas dos secciones anteriores vimos integrales trigonométricas que contiene producto de potencias de las funciones trigonométricas básicas, en esta sección veremos integrales que se resuelven con sustituciones utilizando las funciones trigonométricas, veamos como.

Método de sustitución trigonométrica

El método de sustitución trigonométrica consiste en resolver integrales que contienen términos de la forma:

  • $$\sqrt{a^{2}-x^{2}}$$
  • $$\sqrt{x^{2}-a^{2}}$$
  • $$\sqrt{x^{2}+a^{2}}$$

Para hacer estas sustituciones con las funciones trigonométricas básicas se debe ver cada caso según corresponda.

Caso 1: Integrales de la forma: $\sqrt{a^{2}-x^{2}}$

Figura 1: Triangulo de referencia para la sustitución $x=asen(\theta)$

Podemos auxiliarnos con un triángulo rectángulo como vemos en la figura $(1)$, y recordar un poco de trigonometría básica, recordemos que en un triángulo rectángulo:

$$sen(\theta)=\frac{C.opuesto}{Hipotenusa}=\frac{x}{a}\Rightarrow a \cdot sen\theta=x $$

Podemos hacer la sustitución:

$$x=a \cdot sen(\theta) \tag{1}$$

Por otro lado:

$$cos(\theta)=\frac{C.adyacente}{Hipotenusa}=\frac{\sqrt{a^{2}-x^{2}}}{a} \Rightarrow \sqrt{a^{2}-x^{2}}=a \cdot cos(\theta) \tag{2}$$

Estas son las sustituciones que debemos de hacer para integrales del tipo $\sqrt{a^{2}-x^{2}}$, en este punto talvez pueda ser un poco confuso de utilizarlas, así que veamos el ejemplo siguiente.

  • $\int \frac{dx}{x^{2}\sqrt{9-x^{2}}}$

Vemos que lo que está adentro de la raíz es similar al del caso $(1)$, por lo que podemos hacer la siguiente figura:

Figura 2: Triangulo para el ejercicio 1.

De la figura $(2)$ y de la relación $(1)$, podemos escribir:

$$\frac{x}{3}=sen(\theta) \Rightarrow x=3sen(\theta) \Rightarrow dx=3cos(\theta)d\theta$$

Elevamos al cuadrado la variable $x$ como:

$$x^{2}=9sen^{2}(\theta)$$

Por otro lado, utilizando la relación $(2)$ tenemos que:

$$\frac{\sqrt{9-x^{2}}}{3}=cos(\theta) \Rightarrow \sqrt{9-x^{2}}=3cos(\theta)$$

Así sustituimos estas variables en la integral obteniendo lo siguiente:

$$\int \frac{dx}{x^{2}\sqrt{9-x^{2}}}=\int \frac{3cos(\theta)d\theta}{9sen^{2}(\theta)3cos(\theta)}=\frac{1}{9}\int \frac{1}{sen^{2}(\theta)}d\theta=\frac{1}{9}\int csc^{2}(\theta)d\theta$$

La resolución de esta integral se utiliza los métodos de integrales trigonométricas vistos en esta entrada, por lo que:

$$\frac{1}{9}\int csc^{2}(\theta)d\theta=\frac{1}{9}(-cot(\theta))+C$$

Volvemos a la variable original $x$, reescribimos a la función cotangente como: $$cot(\theta)=\frac{cos(\theta)}{sen(\theta)}$$

Con los cambios de variable que hicimos, tenemos que:

$$cot(\theta)=\frac{cos(\theta)}{sen(\theta)}=\frac{\frac{\sqrt{9-x^{2}}}{3}}{\frac{x}{3}}=\frac{{\sqrt{9-x^{2}}}}{{x}}$$

Así la resolución de la integral es:

$$\int \frac{dx}{x^{2}\sqrt{9-x^{2}}}= -\frac{1}{9}\frac{{\sqrt{9-x^{2}}}}{{x}}+C$$

Caso 2: Integrales de la forma $\sqrt{x^{2}-a^{2}}$

Figura 3: Triangulo de referencia para la sustitución $x=asec(\theta)$

Análogamente, nos auxiliamos de un triángulo rectángulo como vemos en la figura $(3)$, recordamos que:

$$sec(\theta)=\frac{1}{cos(\theta)}=\frac{Hipotenusa}{C.adyacente}=\frac{x}{a} $$

Podemos hacer la sustitución:

$$x=a \cdot sec(\theta) \tag{3}$$

Por otro lado:

$$tan(\theta)=\frac{C.opuesto}{C.adyacente}=\frac{\sqrt{x^{2}-a^{2}}}{a} \Rightarrow \sqrt{x^{2}-a^{2}}=a \cdot tan(\theta) \tag{4}$$

Por lo que estas son las sustituciones que debemos hacer en este caso, veamos un ejemplo.

  • $\int \frac{dx}{\sqrt{25x^{2}-4}}$

Nos fijamos en el radicando y notamos que es similar al caso $(2)$, pero vemos que tenemos un problema con el número que va multiplicando $x^{2}$, ya que se quiere que sea de la forma: $\sqrt{x^{2}-a^{2}}$, por lo que podemos rescribir el radical como sigue: $$\sqrt{25x^{2}-4}=\sqrt{25(x^{2}-\frac{4}{25}})=5\sqrt{x^{2}-\left (\frac{2}{5} \right )^{2}} \tag{5}$$.

Así podemos hacer la siguiente figura:

Figura 4: Triangulo para el ejercicio 2.

De la figura $(4)$ y de la relación $(3)$, hacemos la sustitución:

$$x=\frac{2}{5}sec(\theta) \Rightarrow dx=\frac{2}{5}sec(\theta)tan(\theta)d\theta$$

Por otro lado, utilizando la relación $(4)$, tenemos que:

$$\frac{\sqrt{x^{2}-(\frac{2}{5})^{2}}}{\frac{2}{5}}=tan(\theta) \Rightarrow \sqrt{x^{2}-\left ( \frac{2}{5} \right )^{2}}=\frac{2}{5}tan(\theta)$$

Sustituyendo en la integral tenemos que:

$$\int \frac{dx}{\sqrt{25x^{2}-4}}=\int \frac{\frac{2}{5}sec(\theta)tan(\theta)}{5(\frac{2}{5}tan(\theta))}d\theta=\frac{1}{5}\int sec(\theta )d\theta$$

Recordemos que el 5 que está multiplicando en el divisor viene de la relación $(5)$.

Sabemos que la solución de esta integral está dada como:

$$\int sec(\theta )d\theta = ln|sec(\theta)+tan(\theta )|+C$$

Por lo que:

$$\frac{1}{5}\int sec(\theta )d\theta=\frac{1}{5}ln|sec(\theta)+tan(\theta )|+C$$

Volviendo a la variable original $x$, el resultado de la integral es:

$$\int \frac{dx}{\sqrt{25x^{2}-4}}=\frac{1}{5}ln\bigg|\frac{5x}{2}+\frac{5\sqrt{x^{2}-\left (\frac{2}{5} \right )^{2}}}{2}\bigg|+C$$

Caso 3: Integrales de la forma $\sqrt{x^{2}+a^{2}}$

Figura 5: Triangulo de referencia para la sustitución $x=atan(\theta)$

Análogamente, nos auxiliamos de un triángulo rectángulo como se muestra en la figura $(5)$, sabemos que: $$tan(\theta)=\frac{C.opuesto}{C.adyacente}=\frac{x}{a}$$

Podemos hacer la sustitución:

$$x=a \cdot tan(\theta) \tag{6}$$

Por otro lado:

$$sec(\theta)=\frac{1}{cos(\theta)}=\frac{Hipotenusa}{C.adyacente}=\frac{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}{a} \Rightarrow \sqrt{x^{2}+a^{2}}=a \cdot sec(\theta) \tag{7}$$

Veamos el siguiente ejemplo para ejemplar este caso.

  • $\int \frac{dx}{(x^{2}+1)^{\frac{3}{2}}}$

Podemos expresar el integrando de la siguiente forma:

$$\int \frac{dx}{(x^{2}+1)^{\frac{3}{2}}}=\int \frac{dx}{(\sqrt{x^{2}+1})^{3}}$$

Figura 6: Triangulo para el ejercicio 3.

Vemos que es igual al caso $(3)$, por lo que nos ayudamos de la figura $(6)$ y utilizando la relación $(6)$, tenemos que:

$$\frac{x}{1}=tan(\theta) \Rightarrow dx=sec^{2}(\theta)d\theta$$

Por otro lado, utilizando la relación $(7)$, se tiene que:

$$\frac{\sqrt{x^{2}+1}}{1}=sec(\theta) \Rightarrow (\sqrt{x^{2}+1})^{3} =\sqrt[3]{x^{2}+1}=sec^{3}(\theta)$$

Sustituyendo en la integral tenemos que:

$$\int \frac{dx}{(x^{2}+1)^{\frac{3}{2}}}=\int \frac{sec^{2}(\theta )d\theta}{sec^{3}(\theta )}=\int \frac{1}{sec(\theta )}d\theta=\int cos(\theta)d\theta=sen\theta+C$$

Para regresar a la variable $x$ volvemos a auxiliarnos de la figura $(6)$, recordemos que:

$$sen(\theta)=\frac{C.opuesto}{Hipotenusa}=\frac{x}{\sqrt{x^{2}+1}}$$

Así:

$$\int \frac{dx}{(x^{2}+1)^{\frac{3}{2}}}=\frac{x}{\sqrt{x^{2}+1}}+C$$

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no son para evaluación, pero son ejercicios para que practiques lo aprendido que te ayudaran en el desarrollo del entendimiento del tema, por lo que te invitamos a resolver los siguientes ejercicios propuestos relacionados con el tema visto.

Resolver las siguientes integrales:

  1. $$\int \frac{\sqrt{9-x^{2}}}{x^{2}}dx$$
  2. $$\int \frac{dx}{\sqrt{4x^{2}+1}}dx$$
  3. $$\int \frac{\sqrt{x^{2}-1}}{x}dx$$
  4. $$\int \sqrt{x^{2}+x}dx$$
  5. $$\int_{0}^{2\sqrt{3}} \frac{x^{3}}{\sqrt{16-x^{2}}}dx$$
  6. $$\int_{\sqrt{3}}^{2} \frac{\sqrt{x^{2}-3}}{x}dx$$

Más adelante…

En esta sección vimos el método de sustitución trigonométrica viendo las condiciones para poder aplicar este método auxiliándonos con triángulos rectángulos en el cual nos ayuda a resolver integrales fácilmente, por lo que en esta entrada vimos que se pueden resolver integrales utilizando las funciones trigonométricas. En la siguiente sección veremos el método de fracciones parciales para poder integrar polinomios que tengan el grado del numerador menor que el del denominador.

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Cálculo Diferencial e Integral I: Funciones trigonométricas (Parte 2)

Introducción

Ahora que hemos comenzado a revisar las funciones trigonométricas de seno y coseno, en esta entrada veremos a las funciones tangente, cotangente, secante y cosecante. De igual manera revisaremos las funciones inversas y su representación gráfica.

Hablemos de la tangente y la cotangente

Recordemos de la entrada anterior las definiciones:

\begin{align*}
tan(\theta)&=\frac{sen(\theta)}{cos(\theta)} & cot(\theta)&=\frac{cos(\theta)}{sen(\theta)}
\end{align*}

Para la función tangente tenemos que su gráfica se vería cómo:

Observación: La tangente presenta asíntotas en los valores $x=\frac{k \pi}{2}$ con $k \in \mathbb{Z}$.

Y su rama principal la consideramos definida en el dominio:
$$tan: \left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right) \rightarrow \r$$

Y para la función cotangente su gráfica sería:

Observación: La cotangente presenta asíntotas en los valores $x=k \pi$ con $k \in \mathbb{Z}$.

Para esta función consideraremos como su rama principal en el siguiente dominio:
$$cot: (0,\pi) \rightarrow \r$$

Ahora la secante y la cosecante

Ya vimos que están definidas como:
\begin{align*}
sec(\theta)&= \frac{1}{cos(\theta)} & csc(\theta)&= \frac{1}{sen(\theta)}
\end{align*}

Comencemos con la gráfica para la función secante:

Observación: La secante presenta asíntotas en los valores $x=\frac{k \pi}{2}$ con $k \in \mathbb{Z}$.

Notemos que esta función se encuentra definida sobre cada cresta y por debajo de cada valle de la función $cos(\theta)$:

Tomaremos como domino donde la función es invertible a:
$$D= \left[0, \frac{\pi}{2} \right) \cup \left(\frac{\pi}{2},\pi \right]$$

Para la función cosecante vemos que se encuentra definida sobre cada cresta y por debajo de cada valle de la función $sen(\theta)$:

Observación: La cosecante presenta asíntotas en los valores $x=k \pi$ con $k \in \mathbb{Z}$.

Para esta función consideraremos al dominio donde es invertible a:
$$D= \left[-\frac{\pi}{2}, 0 \right) \cup \left(0, \frac{\pi}{2} \right]$$

¿Quiénes son las funciones inversas?

Para poder visualizar las gráficas de cada una de las funciones trigonométricas utilizaremos el método descrito previamente de reflejar la gráfica de la función respecto de la función identidad en el dominio donde es biyectiva o invertible.

Comenzaremos con la inversa de la función $f(x)=sen(x)$ en el dominio $D_{f}=\left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right]$:

A $f^{-1}(x)$ la llamaremos arcoseno de $x$:
$$f^{-1}(x)=arcsen(x)$$
geométricamente esta función nos da el arco cuyo seno es $x$ valor.

Procederemos de la misma manera con $g(x)=cos(x)$ en el dominio $D_{g}=[0,\pi]$:

Ahora a $g^{-1}$ la llamaremos arcocoseno de $x$:
$$g^{-1}(x)=arccos(x)$$
y su interpretación geométrica sería el arco cuyo coseno es el valor $x$.

Dejaremos como ejercicio de Tarea moral realizar la gráfica para la función inversa de $h(x)= tan(x)$ en el dominio $D_{h}= \left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right)$:
$$h^{-1}(x)= arctan(x)$$
la función arcotangente nos da el arco cuya tangente es el valor $x$.

Tarea moral

  • Obtener la gráfica de las siguientes funciones:
    • $f(x)=-tan(x)$
    • $f(x)=-2sec(x)+1$
    • $f(x)=arctan(x)$
    • $f(x)=3-csc(x)$

Más adelante

En la siguiente entrada veremos al conjunto de funciones exponenciales y logarítmicas, sus representaciones gráficas, la relación que existe entre ellas y algunos resultados que cumplen como las leyes de los exponentes y las leyes de los logaritmos.

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Cálculo Diferencial e Integral I: Funciones trigonométricas (Parte 1)

Introducción

De las clases en el bachillerato recordarás las siguientes definiciones utilizando el triángulo rectángulo de la imagen siguiente:


\begin{align*}
sen\theta&=\frac{\text{cat op}}{\text{hip}}=\frac{b}{c} & csc\theta&=\frac{\text{hip}}{\text{cat op}}=\frac{c}{b}\\
cos\theta&=\frac{\text{cat ad}}{\text{hip}}=\frac{a}{c} & sec\theta&=\frac{\text{hip}}{\text{cat ad}}=\frac{c}{a}\\
tan\theta&=\frac{\text{cat op}}{\text{cat ad}}=\frac{b}{a} & cot\theta&=\frac{\text{cat ad}}{\text{cat op}}=\frac{a}{b}\\
\end{align*}
donde:
cat op = cateto opuesto ; cat ad = cateto adyacente e hip= hipotenusa.

También recordemos que tenemos la siguiente equivalencia:
$$360° = 2\pi$$

A lo largo de esta entrada veremos las principales características de este conjunto de funciones, sus gráficas y algunas identidades trigonométricas.

Identidades trigonométricas Pitagóricas

Si tomamos a la circunferencia unitaria y un triángulo rectángulo circunscrito como en la imagen:

Observamos que al sustituir el valor hip $=1$ en las definiciones anteriores para el $sen\theta$ y el $cos\theta$ tenemos:
\begin{align*}
sen\theta&=\frac{\text{cat op}}{\text{1}} & cos\theta&=\frac{\text{cat ad}}{\text{hip}}\\
&= \text{cat op} & &=\text{cat ad}
\end{align*}


Dadas las igualdades obtenidas e hip$=1$ al sustituir para el resto de las funciones tenemos:
\begin{align*}
tan\theta &= \frac{sen\theta}{cos\theta} & cot\theta &=\frac{cos\theta}{sen\theta}\\
sec\theta &=\frac{1}{cos\theta} & csc\theta&=\frac{1}{sen\theta}
\end{align*}

Recordemos el conocido Teorema de Pitágoras que nos das una relación entre los catetos y la hipotenusa de un triángulo rectángulo:
$$a^{2}+b^{2}=c^{2}$$

Si lo aplicamos al triángulo rectángulo obtenido en la imagen anterior donde:
\begin{align*}
a&= cos\theta & b&=sen\theta & c&=1
\end{align*}
entonces tenemos la siguiente igualdad:
\begin{equation}
cos^{2}\theta + sen^{2}\theta =1
\end{equation}
Si dividimos $(1)$ entre $cos^{2}\theta$ obtenemos:
\begin{equation*}
\frac{cos^{2}\theta}{ cos^{2}\theta}+ \frac{sen^{2}\theta}{cos^{2}\theta} =\frac{1}{cos^{2}\theta}
\end{equation*}
Que simplificando sería:
\begin{equation}
1+ tan^{2}\theta=sec^{2}\theta
\end{equation}

Ahora bien si decidimos dividir $(1)$ entre $sen^{2}\theta$:
\begin{equation*}
\frac{cos^{2}\theta}{sen^{2}\theta} + \frac{sen^{2}\theta}{sen^{2}\theta} =\frac{1}{sen^{2}\theta}
\end{equation*}
Que finalmente sería:
\begin{equation}
cot^{2}\theta +1= csc^{2}\theta
\end{equation}

Las igualdades $(1)$, $(2)$ y $(3)$ son llamadas Identidades Pitagóricas:
\begin{align*}
cos^{2}\theta + sen^{2}\theta &=1\\
1+ tan^{2}\theta &=sec^{2}\theta\\
cot^{2}\theta +1&= csc^{2}\theta\\
\end{align*}

Otras identidades trigonométricas


Otras identidades trigonométricas que son de utilidad son las de suma de ángulos:
\begin{align*}
cos( \alpha + \beta)&=cos(\alpha) cos(\beta) – sen(\alpha) sen(\beta)\\
sen(\alpha + \beta)&= cos(\alpha) sen(\beta) + cos(\beta) sen(\alpha)
\end{align*}
Para la resta de ángulos tendríamos un par similar:
\begin{align*}
cos( \alpha -\beta)&=cos(\alpha) cos(\beta) + sen(\alpha) sen(\beta)\\
sen(\alpha – \beta)&= cos(\alpha) sen(\beta) – cos(\beta) sen(\alpha)
\end{align*}
Ahora veremos cómo obtener las identidades para los ángulos dobles:
\begin{align*}
cos(2\alpha)&= cos(\alpha + \alpha)\\
&= cos(\alpha) cos(\alpha) – sen(\alpha) sen(\alpha)\\
&= cos^{2}\alpha – sen^{2}\alpha
\end{align*}
Por lo tanto tendríamos para el coseno de $2\alpha$:
\begin{equation}
cos(2\alpha)=cos^{2}\alpha – sen^{2}\alpha
\end{equation}
Si procedemos análogamente para el seno de $2\alpha$:
\begin{align*}
sen(2\alpha)&= sen(\alpha + \alpha)\\
&= cos(\alpha) sen(\alpha) + cos(\alpha) sen(\alpha)\\
&= 2sen(\alpha) cos(\alpha)
\end{align*}
Así concluimos que:
\begin{equation}
sen(2\alpha)=2sen(\alpha) cos(\alpha)
\end{equation}
También tenemos un par de identidades que relacionadas con el $sen^{2}\theta$ y el $cos^{2}\theta$:
\begin{align*}
sen^{2}\theta &= \frac{1}{2}(1-cos(2\theta)) & cos^{2}\theta& =\frac{1}{2}(1+ cos(2\theta))\\
\end{align*}
Se dejará cómo ejercicios en la Tarea moral obtener este par de igualdades.

Simetrías

Retomando la imagen anterior, si ahora reflejamos al triángulo circunscrito respecto al eje $x$ tenemos lo siguiente:

donde observamos los siguiente:
\begin{align*}
\beta &= – \theta & c_{2}&=1 & b_{2}=sen(-\theta)\\
\end{align*}

Así al considerar a los puntos $p_{1}$ y $p_{2}$ tenemos que estarían definidos de la siguiente manera:
\begin{align*}
p_{1}&=(cos(\theta), sen(\theta)) & p_{2}&=(cos(-\theta), sen(-\theta))\\
\end{align*}
Resaltamos para $p_{2}$ que:
$$p_{2}=(cos(-\theta), sen(-\theta))=(cos(\theta), -sen(\theta))$$
de esta igualdad podemos determinar si las funciones seno y coseno son pares o impares, este ejercicio formará parte de la Tarea moral.

Función periódica

Definición (función periódica): Decimos que una función $f$ es periódica si existe $N \in \r$ tal que para todo $x \in D_{f}$ cumple que
$$f(x)=f(x+ N)$$
Y $|N|$ se llama periodo de $f$.
En la siguiente imagen observamos que $\alpha = \pi$ por lo que tendríamos que el nuevo triángulo agregado es en realidad el original rotado:

Así tendríamos la siguiente definición para los puntos $p_{1}$ y $p_{3}$:

\begin{align*}
p_{1}&=(cos(\theta), sen(\theta)) & p_{3}&=(cos(\theta + \pi), sen(\theta+ \pi))\\
\end{align*}

Si rotamos el triángulo ahora $\alpha = 2\pi$ tenemos que $p_{4}$ estaría definido cómo:
$$p_{4}=(cos(\theta + 2\pi), sen(\theta+ 2\pi))$$


¡Y observamos que obtenemos el triángulo original! Consecuentemente tenemos las siguientes igualdades:
\begin{align*}
sen(\theta)&=sen(\theta+2\pi)\\
cos(\theta)&=cos(\theta+ 2\pi)
\end{align*}
Aplicando la definición decimos que las funciones seno y coseno son periódicas con periodo $N=2\pi$.
En las gráficas de las funciones observamos el comportamiento anterior, cada $2 \pi$ se comienzan a repetir los valores:

Observación: Vemos que para todo $x \in \r$ ocurre
$$-1 \leq sen(x) \leq 1$$
$$-1 \leq cos(x) \leq 1$$
por lo que las funciones seno y coseno son acotadas.

Consideraremos sus ramas principales definidas en los siguientes dominios donde cada uno de las funciones cumple ser inyectiva :
\begin{align*}
sen: \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right] \rightarrow [-1,1]
\end{align*}

\begin{align*}
cos: [0, \pi] \rightarrow [-1,1]
\end{align*}

Tarea moral

  • Obtener las siguientes identidades trigonométricas:
    • $$sen^{2}\theta = \frac{1}{2}(1-cos(2\theta))$$
    • $$cos^{2}\theta =\frac{1}{2}(1+ cos(2\theta))$$
    • $$tan(\alpha + \beta)=\frac{tan(\alpha) + tan(\beta)}{-tan(\alpha)tan(\beta)}$$
      HINT.-Considera la igualdad:
      $$tan\theta=\frac{sen\theta}{cos\theta}$$
  • Determina si las siguientes funciones son pares, impares o ninguna de las opciones anteriores:
    • $sen(\theta)$
    • $cos(\theta)$
  • Obtén la gráfica de las siguientes funciones:
    • $f(x)=sen(x+\frac{\pi}{2})$
    • $f(x)=-2cos(x)+1$

Más adelante

En la próxima entrada continuaremos con las definiciones de las funciones tangente, cotangente, secante y cosecante. Por lo que haremos un análisis similar al dado para las funciones seno y coseno.

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Geometría Moderna I: Trigonometría

Introducción

En esta entrada presentaremos las razones trigonométricas respecto de un ángulo agudo en un triángulo rectángulo, estas pueden ser vistas como funciones si consideramos el ángulo como una variable, veremos como extender estas funciones a ángulos de cualquier magnitud y algunas identidades trigonométricas.

Razones trigonométricas

Definiciones. Consideremos un triángulo rectángulo $\triangle ABC$ donde $AB$ es la hipotenusa y sea $\alpha =  \angle BAC$, decimos que $BC$ es el cateto opuesto a $\alpha$ y $AC$ es el cateto adyacente a $\alpha$.

Definimos las razones trigonométricas respecto del ángulo $\alpha$ como sigue:

El seno del ángulo $\alpha$ como $\dfrac{c.opuesto}{hipotenusa}$ y lo denotamos como $\sin \alpha = \dfrac{BC}{AB}$.
El coseno del ángulo $\alpha$ como $\dfrac{c.adyacente}{hipotenusa}$ y lo denotamos como $\cos \alpha = \dfrac{AC}{AB}$.
La tangente del ángulo $\alpha$ como $\dfrac{c.opuesto}{c.adyacente}$ y lo denotamos como $\tan \alpha = \dfrac{BC}{AC}$.
La cosecante del ángulo $\alpha$ como como $\dfrac{hipotenusa}{c.opuesto}$ y lo denotamos como $\csc \alpha = \dfrac{AB}{BC}$.
La secante del ángulo $\alpha$ como $\dfrac{hipotenusa}{c.adyacente}$  y lo denotamos como $\sec \alpha = \dfrac{AB}{AC}$.
La cotangente del ángulo $\alpha$ como $\dfrac{c.adyacente}{c.opuesto}$ y lo denotamos como $\cot \alpha = \dfrac{AC}{BC}$.

Figura 1

Si consideramos el ángulo complementario a $\alpha$, $\beta = \angle CBA$, entonces de las definiciones se siguen las siguientes relaciones:

$\sin \alpha = \cos \beta$, $\cos \alpha = \sin \beta$, $\tan \alpha = \dfrac{\sin \alpha}{\cos \alpha}$, $\tan \alpha \tan \beta = 1$.

$\csc \alpha = \sec \beta$, $\sec \alpha = \csc \beta$, $\cot \alpha = \dfrac{\cos \alpha}{\sin \alpha}$, $\cot \alpha \cot \beta = 1$.

Círculo trigonométrico

Consideremos $(O, 1)$ un círculo con centro en $O$ de radio $1$, por $O$ trazamos dos rectas perpendiculares $x$ e $y$, tomamos un punto $P \in (O, 1)$ en el cuadrante formado por el rayo derecho $Ox$ y el rayo superior $Oy$ y trazamos las proyecciones $X$, $Y$ de $O$ a las rectas $x$, $y$ respectivamente.

El triángulo $\triangle OPX$ es rectángulo y su hipotenusa $OP = 1$, si consideramos el ángulo $\angle XOP = \gamma$ entonces
$\sin \gamma = PX$ y
$\cos \gamma = OX$.

Figura 2

Tracemos la tangente a $(O, 1)$ por $Q$, la intersección entre $x$ y $(O, 1)$, tomemos $R$ como la intersección entre la tangente y $OP$ entonces $RQ \parallel PX$ y los triángulos $\triangle OPX$ y $\triangle ORQ$ son semejantes por lo tanto
$\tan \gamma = \dfrac{PX}{OX} = \dfrac{RQ}{OQ} = RQ$ y
$\sec \gamma = \dfrac{OP}{OX} = \dfrac{OR}{OQ} = OR$.

Ahora trazamos la tangente a $(O, 1)$ por $S$, la intersección de $y$ con $(O, 1)$, tomamos $T$ como la intersección de la tangente con $OP$ entonces $ST \parallel x$, por lo tanto $\gamma = \angle STO$ y así $\triangle OPX$ y $\triangle TOS$ son semejantes, por lo tanto,
$\csc \gamma = \dfrac{OP}{PX} = \dfrac{OT}{OS} = OT$ y 
$\cot \alpha = \dfrac{OX}{PX} = \dfrac{ST}{OS} = ST$.

Con esta construcción podemos extender las definiciones de función trigonométrica para ángulos agudos a ángulos de cualquier magnitud trasladando el punto $P$ alrededor de la circunferencia $(O, 1)$ y tomando las proyecciones de $P$, $X$ e $Y$ a las rectas $x$ e $y$ respectivamente que tomaremos como positivas si se encuentran en los rayos derecho y superior o negativas si se encuentran en los rayos izquierdos e inferior de las rectas $x$, $y$ respetivamente.

De esta manera todas las razones trigonométricas quedan determinadas por el valor de $\sin \gamma = PX$ y $\cos \gamma = OX$.

Teorema 1, identidad pitagórica. Sea $0 \leq \gamma < 2\pi$ entonces, $\sin^2 \gamma + \cos^2 \gamma = 1$.

Demostración. Aplicamos el teorema de Pitágoras al triángulo rectángulo $\triangle OPX$, (figura 2).

$1 = PX^2 + OX^2 = \sin^2 \gamma + \cos^2 \gamma$.

$\blacksquare$

Ley extendida de senos

Teorema 2, ley extendida de los senos. Sean $\triangle ABC$ y $(O, R)$ su circuncírculo, etiquetemos $\angle BAC = \alpha$, $\angle CBA = \beta$, $\angle ACB = \gamma$ y $a = BC$, $b = AC$, $c = AB$ las longitudes de sus lados, entonces
$\dfrac{\sin \alpha}{a} = \dfrac{\sin \beta}{b} = \dfrac{\sin \gamma}{c} = \dfrac{1}{2R}$.

Demostración. Tracemos $D$ el punto diametralmente opuesto a $C$, entonces $\angle BDC = \alpha$, pues subtienden el mismo arco.

$\angle CBD$ es un ángulo recto, pues $CD$ es diámetro, por lo tanto $\sin \alpha = \sin \angle BDC = \dfrac{a}{CD}$.

Por lo tanto, $\dfrac{\sin \alpha}{a} = \dfrac{1}{2R}$.

Figura 3

De manera análoga podemos ver que
$\sin \beta = \dfrac{b}{2R}$ y
$\sin \gamma = \dfrac{c}{2R}$.

Por lo tanto, $\dfrac{\sin \alpha}{a} = \dfrac{\sin \beta}{b} = \dfrac{\sin \gamma}{c} = \dfrac{1}{2R}$.

$\blacksquare$

Corolario. El seno de un ángulo inscrito en una circunferencia de diámetro $1$ es igual a la cuerda que abarca dicho ángulo.

Demostración. Se sigue de sustituir $2R = 1$ en el teorema anterior.

$\blacksquare$

Ley de cosenos

Teorema 3, ley de cosenos. Sean $\triangle ABC$, $\angle BAC = \alpha$, $\angle CBA = \beta$, $\angle ACB = \gamma$ y $a = BC$, $b = AC$, $c = AB$ las longitudes de sus lados, entonces se da la siguiente igualdad:
$c^2 = a^2 + b^2 – 2ab \cos \gamma$.

Demostración. Trazamos $D$ el pie de la perpendicular a $BC$ desde $A$ y aplicamos el teorema de Pitágoras a $\triangle ABD$ y $\triangle ADC,$ de donde obtenemos

$\begin{equation} c^2 = AD^2 + (a – DC)^2 = AD^2 + a^2 – 2a(DC) + DC^2, \end{equation}$
$b^2 = AD^2 + DC^2$
$\Leftrightarrow$ $\begin{equation} AD^2 = b^2 – DC^2. \end{equation}$

Figura 4

Sustituimos $(2)$ en $(1)$ y obtenemos $c^2 = b^2 + a^2 – 2a(DC)$.

Por otro lado $\cos \gamma = \dfrac{DC}{b}$ $\Leftrightarrow$ $b \cos \gamma = DC$.

Así que $c^2 = a^2 + b^2 – 2ab \cos \gamma$.

De manera similar se puede ver que
$a^2 = b^2 + c^2 – 2bc \cos \alpha$ y
$b^2 = a^2 + c^2 – 2ac \cos \beta$.

$\blacksquare$

El seno de la suma

Teorema 4, el seno de la suma de dos ángulos. Sean $\alpha$ y $\beta$ ángulos agudos entonces $\sin (\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \sin \beta \cos \alpha$.

Demostración. Sea $\square ABCD$ cíclico tal que $BD = 1$ es diámetro del circuncírculo, $\angle DBA = \alpha$ y $\angle CBD =\beta$.

Figura 5

Como consecuencia del corolario tenemos que $AC = \sin (\alpha + \beta)$, ademas $\triangle BAD$ y $\triangle DCB$ son triángulos rectángulos pues $DB$ es diámetro.

Se sigue que
$AB = \cos \alpha$,
$CD = \sin \beta$,
$AD = \sin \alpha$ y
$BC = \cos \beta$.

El teorema de Ptolomeo nos dice que
$\begin{equation} AC \times BD = AB \times CD + BC \times AD. \end{equation}$

Por lo tanto, $\sin (\alpha + \beta) = \cos \alpha \sin \beta +\sin \alpha \cos \beta$.

$\blacksquare$

El coseno de la suma

Teorema 5, el coseno de la suma de dos ángulos. Sean $\alpha \ne 0$ y $\beta$ ángulos agudos tales que $\alpha + \beta < \dfrac{\pi}{2}$ entonces $\cos (\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta – \sin \alpha \sin \beta$.

Demostración. Sea $\square ABCD$ cíclico tal que $BC = 1$ es diámetro del circuncírculo, $\angle CBD = \alpha$ y $\angle DBA = \beta$.

Figura 6

Como $\triangle BAC$ y $\triangle BDC$ son triángulos rectángulos y $BC = 1$ tenemos que
$AC = \sin (\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \sin \beta \cos \alpha$ (teorema 4),
$BD = \cos \alpha$,
$AB = \cos (\alpha + \beta)$,
$CD = \sin \alpha$,
$AD = \sin \angle DCA = \sin \beta$ (corolario).

Por el teorema de Ptolomeo $(3)$, aplicado a $\square ABCD$ obtenemos:
$\cos (\alpha + \beta) \sin \alpha + \sin \beta$
$= (\sin \alpha \cos \beta + \sin \beta \cos \alpha) \cos \alpha$
$= \sin \alpha \cos \beta \cos \alpha + \sin \beta \cos^2 \alpha$
$ = \sin \alpha \cos \beta \cos \alpha + (\sin \beta)(1 – \sin^2 \alpha)$ (teorema 1)
$= \sin \alpha \cos \beta \cos \alpha – \sin \beta \sin^2 \alpha + \sin \beta$.

$\Leftrightarrow$$\cos (\alpha + \beta) \sin \alpha = \sin \alpha \cos \beta \cos \alpha – \sin \beta \sin^2 \alpha$.

Por lo tanto, $\cos (\alpha + \beta) = \cos \beta \cos \alpha -\sin \beta \sin \alpha$.

$\blacksquare$

Seno y coseno del ángulo medio

Teorema 6, el seno y el coseno del ángulo medio. Sea $\alpha \ne 0$ un ángulo agudo entonces
$\sin \dfrac{\alpha}{2} = \sqrt{\dfrac{1 – \cos \alpha}{2}}$ y $\cos \dfrac{\alpha}{2} = \sqrt{\dfrac{1 + \cos \alpha}{2}}$.

Demostración. Sea $\square ABCD$ cíclico tal que $BC = 1$ es diámetro y $\angle CBD = \angle DBA = \dfrac{\alpha}{2}$.

Figura 7

Ya que $\triangle BAC$ y $\triangle BDC$ son triángulos rectángulos podemos ver que
$AC = \sin \alpha$,
$BD = \cos \dfrac{\alpha}{2}$,
$AB = \cos \alpha$,
$CD = \sin \dfrac{\alpha}{2}$,
$AD = \sin \angle DCA = \sin \dfrac{\alpha}{2}$ (corolario).

Aplicando Ptolomeo $(3)$ y el teorema 4 obtenemos:
$\cos \alpha \sin \dfrac{\alpha}{2} + \sin \dfrac{\alpha}{2} = \sin \alpha \cos \dfrac{\alpha}{2} $
$= \sin (\dfrac{\alpha}{2} +\dfrac{\alpha}{2}) \cos \dfrac{\alpha}{2} = 2 \sin \dfrac{\alpha}{2} \cos^2 \dfrac{\alpha}{2}$.

Por lo tanto, $2 \sin \dfrac{\alpha}{2} \cos^2 \dfrac{\alpha}{2} = \sin \dfrac{\alpha}{2} (\cos \alpha + 1)$ $\Rightarrow$  
$\begin{equation} \cos^2 \dfrac{\alpha}{2} = \dfrac{\cos \alpha + 1}{2}. \end{equation}$

De donde se sigue que $\cos \dfrac{\alpha}{2} = \sqrt{\dfrac{\cos \alpha + 1}{2}}$.

Ahora sustituimos la identidad pitagórica en la ecuación $(4)$ y obtenemos:
$1 – \sin^2 \dfrac{\alpha}{2} = \dfrac{\cos \alpha + 1}{2}$
$\Leftrightarrow$
$\sin \dfrac{\alpha}{2} = \sqrt{\dfrac{1 – \cos \alpha}{2}}$.

$\blacksquare$

Tarea moral

  1. $i)$ A partir de un triangulo equilátero deriva los valores de las seis razones trigonométricas para los ángulos $\dfrac{\pi}{3}$ y $\dfrac{\pi}{6}$,
    $ii)$ A partir de un triángulo rectángulo isósceles deduce los valores de las seis razones trigonométricas para el ángulo $\dfrac{\pi}{4}$.
  2. Recordemos que consideramos la magnitud de un ángulo central como positiva, si recorremos el arco de circunferencia que subtiende dicho ángulo en el sentido contrario al de las manecillas del reloj y negativa en caso contario, muestra que para cualquier valor de $\alpha$ se cumple que:
    $i)$ $\sin (-\alpha) = -\sin \alpha$,
    $ii)$ $\cos (-\alpha) = \cos \alpha$,
    $iii)$ $\sin (\pi – \alpha) = \sin \alpha$,
    $iv)$ $\cos (\pi – \alpha) = -\cos \alpha$,
    $v)$ $\sec^2 \alpha = 1 + \tan^2 \alpha$.
  3. Sean $\alpha$ y $\beta$ ángulos agudos tales que $\alpha \geq \beta$, muestra geométricamente:
    $i)$ el seno de la diferencia de dos ángulos, $\sin (\alpha – \beta) = \sin \alpha \cos \beta – \sin \beta \cos \alpha$,
    $ii)$ el coseno de la diferencia de dos ángulos, $\cos (\alpha – \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta$.
  4.  Sean $\alpha$ y $\beta$ ángulos agudos prueba que:
    $i)$ $\sin \alpha \cos \beta = \dfrac{\sin (\alpha + \beta) + \sin (\alpha – \beta)}{2}$,
    $ii)$ $\cos \alpha \sin \beta = \dfrac{\sin (\alpha + \beta) – \sin (\alpha – \beta)}{2}$.
  5. Sea $\triangle ABC$, por $A$ traza cualquier recta que corte a $BC$ en $L$, muestra que $\dfrac{BL}{LC} = \dfrac{AB \sin \angle BAL}{AC \sin \angle LAC}$.
Figura 8
  1. Demuestra que si $\dfrac{\sin \alpha}{\sin \beta} = \dfrac{\sin \delta}{\sin \gamma}$ y $\alpha + \beta = \delta + \gamma < \pi$ entonces $\alpha = \delta$ y $\beta = \gamma$.
  2. Sea $\triangle ABC$ con $a = BC$, $b = AC$, $c = AB$, $\alpha = \angle BAC$, $\beta = \angle CBA$, $\gamma = \angle ACB$, demuestra las siguientes formulas para calcular el área de $\triangle ABC$:
    $i)$ $(\triangle ABC) = \dfrac{ac \sin \beta}{2} = \dfrac{ab \sin \gamma}{2} = \dfrac{bc \sin \alpha}{2}$,
    $ii)$ $(\triangle ABC) = \dfrac{a^2 \sin \beta \sin \gamma}{2 \sin (\beta + \gamma)} = \dfrac{b^2 \sin \alpha \sin \gamma}{2 \sin (\alpha + \gamma)} = \dfrac{c^2 \sin \alpha \sin \beta}{2 \sin (\alpha + \beta)}$.

Más adelante…

En la siguiente entrada estudiaremos algunas propiedades relacionadas con el incírculo y los excÍrculos de un triángulo, así como también sobre sus centros y radios.

Entradas relacionadas

Fuentes

  • Santos, J., Tesis Geometría del Cuadrilátero. 2010, pp 69-78.
  • Cárdenas, S., Notas de Geometría. México: Ed. Prensas de Ciencias, 2013, pp 55-62.
  • Gomez, A. y Bulajich, R., Geometría. México: Instituto de Matemáticas, 2002, pp 89-95.

Cálculo Diferencial e Integral: Límites de funciones trigonométricas

Introducción

En las entradas anteriores nos enfocamos en desarrollar el concepto de límite y revisamos diversos tipos de funciones, sin embargo, evitamos un tipo particular: funciones trigonométricas. En esta entrada centraremos nuestra atención en la revisión de estos límites haciendo uso de toda la teoría revisada hasta este punto.

Límite de funciones trigonométricas en un punto

En los primeros ejemplos podrás visualizar la gráfica de la función con la finalidad de tener cierta intuición respecto a los límites, pero, en caso de requerirlo, puedes repasar las funciones trigonométricas.

Ejemplo. Prueba que el siguiente límite no existe $$\lim_{x \to 0} sen \left( \frac{1}{x} \right)$$

Demostración.

Notemos que por la relación entre el límite de una función y el de una sucesión, basta dar dos sucesiones $\{a_n\}$, $\{b_n\}$ que converjan a $x_0 = 0$ (sin ser $0$), pero tales que las sucesiones generadas evaluándolas en la función, $\{f(a_n)\}$, $\{f(b_n)\}$ converjan a valores distintos.

Definimos $f(x) = sen(\frac{1}{x})$ y consideremos las sucesiones $a_n = (\pi n) ^{-1} \quad$ y $b_n = (\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n)^{-1},$ donde $a_n$, $b_n \neq 0$ para toda $n \in \mathbb{N}$.

Veamos que
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} a_n = & \lim_{n \to \infty} (\pi n) ^{-1} \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\pi n} \\
= & 0
\end{align*}
$$\therefore \lim_{n \to \infty} a_n = 0$$
Además,
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} b_n = & \lim_{n \to \infty} \left( \frac{1}{2} \pi + 2 \pi n \right)^{-1}\\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\frac{\pi + 4 \pi n}{2}} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{2}{\pi + 4 \pi n} \\ \\
= & 0
\end{align*}
$$\therefore \lim_{n \to \infty} b_n = 0$$
Es decir, las sucesiones $\{a_n\}$ y $\{b_n\}$ tienden a cero. Y notemos que $f(a_n) = sen(n \pi ) = 0$ y $f(b_n) = sen(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n) = 1$ para todo $n \in \mathbb{N}$.

De esta forma $$\lim_{n \to \infty} f(a_n) \neq \lim_{n \to \infty} f(b_n)$$
Por tanto, podemos concluir que el límite no existe.

$\square$

Ejemplo. $$\lim_{x \to 0} x sen(\frac{1}{x}) = 0$$

Demostración.

Haremos la demostración de este límite mediante la definición $\epsilon$-$\delta$.

Sea $\epsilon > 0$, consideremos $\delta = \epsilon$.
Si $0<|x-0| < \delta$, entonces
\begin{gather*}
|x| < \delta = \epsilon \\
\Rightarrow |x|< \epsilon
\end{gather*}
Además sabemos que $-1 < sen \left( \frac{1}{x} \right) < 1$ para cualquier $x \neq 0$. Entonces

\begin{align*}
|f(x)-0| = & |x sen(x) | \\
= & |x||sen(x)| \\
\leq & \delta \cdot 1 \\
= & \epsilon
\end{align*}
$$\therefore \lim_{x \to 0} x sen(\frac{1}{x}) = 0$$

$\square$

Ejemplo. Determina el siguiente límite $$\lim_{x \to 0} \frac{1-cos(x) }{x}.$$

Si $0< |x| < \pi$, entonces

\begin{align*}
\frac{1-cos(x)}{x} = & \frac{1-cos(x)}{x} \cdot \frac{1+cos(x)}{1+cos(x)} \\ \\
= & \frac{1-cos^2(x)}{x (1+cos(x) )} \\ \\
= & \frac{sen^2(x)}{x(1+cos(x))} \\ \\
= & \frac{sen(x)}{x} \frac{sen(x)}{1+cos(x)}
\end{align*}

Así,
\begin{align*}
\lim_{x \to 0} \frac{1-cos(x) }{x} = & \lim_{x \to 0}\frac{sen(x)}{x} \cdot \frac{sen(x)}{1+cos(x)} \\
= & \lim_{x \to 0} \frac{sen(x)}{x} \cdot \lim_{x \to 0} \frac{sen(x)}{1+cos(x)} \\
= & 1 \cdot \frac{0}{2} \\
= & 0
\end{align*}

$$\therefore \lim_{x \to 0} \frac{1-cos(x) }{x} = 0$$

Observación. Se usó que $\lim_{x \to 0 } \frac{sen(x)}{x} = 1$, la prueba de tal límite quedará como tarea moral.

Ejemplo. Calcula el siguiente límite $$\lim_{x \to 0} \frac{x+sen(x)}{x^2-sen(x)}.$$

\begin{align*}
\lim_{x \to 0} \frac{x+sen(x)}{x^2-sen(x)} = & \lim_{x \to 0} \frac{x+sen(x)}{x^2-sen(x)} \cdot \frac{\frac{1}{x}}{\frac{1}{x}} \\ \\
= & \lim_{x \to 0} \frac{1+\frac{sen(x)}{x}}{x-\frac{sen(x)}{x}} \\ \\
= & \frac{1+1}{0-1} \\ \\
= & -2
\end{align*}
$$\therefore \lim_{x \to 0} \frac{x+sen(x)}{x^2-sen(x)} = -2$$

Ejemplo. Calcula $$\lim_{x \to 0} \frac{sec(x) -1}{x}.$$

\begin{align*}
\lim_{x \to 0} \frac{sec(x) -1}{x} = & \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{cos(x)} -1}{x} \\ \\
= & \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1- cos(x)}{cos(x)}}{x} \\ \\
= & \lim_{x \to 0} \frac{1- cos(x)}{x cos(x)} \\ \\
= & \lim_{x \to 0} \frac{1}{cos(x)} \frac{1- cos(x)}{x} \\ \\
= & 1 \cdot 0 \\ \\
= & 0
\end{align*}
$$\therefore \lim_{x \to 0} \frac{sec(x) -1}{x} = 0$$

Límite de funciones trigonométricas en el infinito

Ahora procederemos a revisar algunos ejemplos de funciones trigonométricas cuando $x \to \infty$.

Ejemplo. Determina el siguiente límite $$\lim_{x \to -\infty} \frac{3x^2-sen(5x)}{x^2+2}.$$

Recordemos que $-1 < sen(5x) < 1$, de donde se sigue que $-1 < -sen(5x) < 1$, así
\begin{align*}
& 3x^2-1 < 3x^2-sen(5x) < 3x^2+1 \\ \\
\Rightarrow & \frac{3x^2-1}{x^2+2} < \frac{3x^2-sen(5x)}{x^2+2} < \frac{3x^2+1}{x^2+2} \text{, pues } x^2+2 >0
\end{align*}

Además, $$\lim_{x \to -\infty} \frac{3x^2+1}{x^2+2} = 3 = \lim_{x \to -\infty} \frac{3x^2-1}{x^2+2}$$ Por el teorema del sándwich podemos concluir que
$$\lim_{x \to -\infty} \frac{3x^2-sen(5x)}{x^2+2} = 3$$

Ejemplo. Calcula el límite $$\lim_{x \to \infty} \frac{x sen(x)}{x^2+5}$$
\begin{align*}
\lim_{x \to \infty} \frac{x sen(x)}{x^2+5} = & \lim_{x \to \infty} \frac{x sen(x)}{x^2+5} \cdot \frac{\frac{1}{x^2}}{\frac{1}{x^2}} \\ \\
= & \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{x sen(x)}{x^2}}{\frac{x^2+5}{x^2}} \\ \\
= & \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{sen(x)}{x}}{1+\frac{5}{x^2}} \\ \\
= & \frac{0}{1} \text{, pues } |sen(x)| < 1 \\ \\
= & 0
\end{align*}
$$\therefore \lim_{x \to \infty} \frac{x sen(x)}{x^2+5} = 0$$

Ejemplo. Determina si existe el siguiente límite $$\lim_{x \to \infty} \frac{x^2(1+sen^2(x))}{(x+sen(x))^2}.$$

El límite no existe. Considera las sucesiones $a_n = \pi n \quad$ y $\quad b_n = \frac{1}{2} \pi + 2 \pi n \quad$ donde $a_n$, $b_n \rightarrow \infty$ cuando $n \rightarrow \infty$ . Notemos que
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} f(a_n) = & \lim_{n \to \infty} \frac{(\pi n)^2(1+sen^2(\pi n))}{(\pi n+sen(\pi n))^2} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{(\pi n)^2(1+0)}{(\pi n+0)^2} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{(\pi n)^2}{(\pi n)^2} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} 1 \\ \\
= & 1
\end{align*}
$$ \therefore \lim_{n \to \infty} f(a_n) = 1$$
Por otro lado,
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} f(b_n) = & \lim_{n \to \infty} \frac{(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n)^2(1+sen^2(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n))}{(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n+sen(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n))^2} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n)^2(1+1)}{(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n+1)^2} \\ \\
= & \lim_{n \to \infty} \frac{2(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n)^2}{(\frac{1}{2} \pi + 2 \pi n+1)^2} \\ \\
= & 2
\end{align*}
$$ \therefore \lim_{n \to \infty} f(b_n) = 2$$

Como $$\lim_{n \to \infty} f(a_n) \neq \lim_{n \to \infty} f(b_n)$$
Podemos concluir que el límite $\lim_{x \to \infty} \frac{x^2(1+sen^2(x))}{(x+sen(x))^2}$ no existe.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más a profundidad la teoría vista.

Halla los siguientes límites, justifica en caso de no alguno no exista.

  1. $$\lim_{x \to 0 } \frac{sen(x)}{x}$$
  2. $$\lim_{x \to 0} \frac{x^2 (3+sen(x))}{(x+sen(x))^2}$$
  3. $$\lim_{x \to 1} \frac{sen(x^2-1)}{x-1}$$
  4. $$\lim_{x \to \infty} x^2 sen \left(\frac{1}{x} \right)$$
  5. $$\lim_{x \to \infty} \frac{x + sen^3(x)}{5x+6}$$
  6. $$\lim_{x \to 0} \frac{tan^2(x)+2x}{x + x^2}$$

Más adelante…

En la siguiente entrada revisaremos el concepto de asíntotas con lo que nos será posible analizar un comportamiento particular que llegan a tener las funciones, el cual es aproximarse a una recta en determinado momento; y, con esto, estaremos finalizando la unidad referente al límite de una función.

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