Bài 2. Giới hạn của hàm số

CHƯƠNG III. GIỚI HẠN. HÀM SỐ LIÊN TỤC

1. Giới hạn hữu hạn của hàm số tại một điểm

Cho điểm x0 thuộc khoảng K và hàm số y = f(x) xác định trên K hoặc K \ {x0}.

Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn hữu hạn là số L khi x dần tới x0 nếu với dãy số (xn) bất kì, xn ∈ K \ {x0} và xn → x0, thì f(xn) → L, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)=L}$ hay f(x) → L khi x → x0.

Nhận xét: ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0}{lim}x=x_0;\underset{x\rightarrow x_0}{lim}c=c}$ (c là hằng số).

Ví dụ

Tìm các giới hạn sau:

a) $\underset{x\rightarrow3}{lim}$ (2x2 - x);

b) $\underset{x\rightarrow-1}{lim}\frac{x^2+2x+1}{x+1}$.

Giải

a) Hàm số y = 2x2 – x xác định trên ℝ.

Cho (xn) là dãy số bất kì, thỏa mãn xn ∈ ℝ với mọi n và lim xn = 3. Ta có:

lim f(xn) = lim(2xn2 - xn) = 2.(lim xn)2 - lim xn = 2.32 - 3 = 15.

Vậy $\underset{x\rightarrow3}{lim}$ (2x2 - x) = 15.

b) Hàm số $y=\frac{x^2+2x+1}{x+1}$ xác định trên ℝ \ {-1}.

Cho (xn) là dãy số bất kì, thỏa mãn xn ∈ ℝ \ {-1} với mọi n và lim xn = -1. Ta có:

lim f(xn) = lim$\frac{x_n^2+2x_n+1}{x_n+1}$ = lim$\frac{(x_n+1)^2}{x_n+1}$ = lim(xn + 1) = lim xn + lim 1 = -1 + 1 = 0.

Vậy $\underset{x\rightarrow-1}{lim}\frac{x^2+2x+1}{x+1}$ = 0.

2. Các phép toán về giới hạn hữu hạn của hàm số

a) Cho $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)=L$ và $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}g(x)=M$. Khi đó:

• $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}$ [f(x) + g(x)] = L + M

• $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}$ [f(x) - g(x)] = L - M

• $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}$ [f(x) . g(x)] = L . M

• $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{L}{M}$ (với M ≠ 0)

b) Nếu f(x) ≥ 0 và $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)=L$ thì L ≥ 0 và $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}\sqrt{f(x)}=\sqrt{L}$.

(Dấu của f(x) được xét trên khoảng tìm giới hạn, x ≠ x0.)

Nhận xét:

a) ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0}{lim}x^k=x_0^k}$, k ∈ ℕ*;

b) ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0}{lim}[cf(c)]=c.\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)}$ (c ∈ ℝ, nếu tồn tại $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)$ ∈ ℝ).

Ví dụ

Tìm các giới hạn sau:

a) $\underset{x\rightarrow-2}{lim}$ (x2 + 5x - 2);

b) $\underset{x\rightarrow1}{lim}\frac{x^2-1}{x-1}$.

Giải

a) $\underset{x\rightarrow-2}{lim}$ (x2 + 5x - 2) = $\underset{x\rightarrow-2}{lim}(x^2)+5.\underset{x\rightarrow-2}{lim}x-\underset{x\rightarrow2}{lim}2$ = (-2)2 + 5.(-2) - 2 = -8.

b) $\underset{x\rightarrow1}{lim}\frac{x^2-1}{x-1}=\underset{x\rightarrow1}{lim}\frac{(x-1)(x+1)}{x-1}=\underset{x\rightarrow1}{lim}(x+1)=\underset{x\rightarrow1}{lim}x+\underset{x\rightarrow1}{lim}1$ = 1 + 1 = 2.

3. Giới hạn một phía

• Cho hàm số y = f(x) xác định trên khoảng (x0 ; b).

Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn bên phải là số L khi x dần tới x0 với dãy số (xn) bất kì, x0 < xn < b và xn → x0 thì f(xn) → L, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)=L}$.

• Cho hàm số y = f(x) xác định trên khoảng (a ; x0).

Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn bên trái là số L khi x dần tới x0 với dãy số (xn) bất kì, a < xn < x0 và xn → x0 thì f(xn) → L, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0^-}{lim}f(x)=L}$.

Chú ý:

a) Ta thừa nhận các kết quả sau:

• $\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)=L$ và $\underset{x\rightarrow x_0^-}{lim}f(x)=L$ khi và chỉ khi $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)=L$;

• Nếu $\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)≠\underset{x\rightarrow x_0^-}{lim}f(x)$ thì không tồn tại $\underset{x\rightarrow x_0}{lim}f(x)$.

b) Các phép toán về giới hạn hữu hạn của hàm số vẫn đúng khi ta thay $x\rightarrow x_0$ bằng $x\rightarrow x_0^+$ hoặc $x\rightarrow x_0^-$.

Ví dụ

Cho hàm số $f(x)=\left\{\begin{matrix}1-2x\;khi\;x≤-1\\x^2+2\;khi\;x>-1.\end{matrix}\right.$

Tìm các giới hạn $\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}f(x),\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}f(x)$ và $\underset{x\rightarrow-1}{lim}f(x)$ (nếu có).

Giải

• Với x > -1 thì f(x) = x2 + 2, ta có:

$\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}f(x)=\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}x^2+2=\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}x^2+\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}2$ = (-1)2 + 2 = 3.

• Với x ≤ -1 thì f(x) = 1 - 2x, ta có:

$\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}f(x)=\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}1-2x=\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}1-\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}2x$ = 1 - 2.(-1) = 3.

• Ta có: $\underset{x\rightarrow-1^+}{lim}f(x)=\underset{x\rightarrow-1^-}{lim}f(x)$ = 3 nên $\underset{x\rightarrow-1}{lim}f(x)$ = 3.

 

4. Giới hạn hữu hạn của hàm số tại vô cực

• Cho hàm số y = f(x) xác định trên khoảng (a ; +).

Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn hữu hạn là số L khi x → +∞ nếu với dãy số (xn) bất kì xn > axn → +∞ thì f(xn) → L, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}f(x)=L}$ hay f(x) → L khi x → +.

• Cho hàm số y = f(x) xác định trên khoảng (-∞ ; a).

Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn hữu hạn là số L khi x → -∞ nếu với dãy số (xn) bất kì xn < axn → -∞ thì f(xn) → L, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}f(x)=L}$ hay f(x) → L khi x → -.

Chú ý:

a) Với c là hằng số và k là số nguyên dương, ta luôn có:

$\underset{x\rightarrow±\infty}{lim}c=c$ và $\underset{x\rightarrow±\infty}{lim}\frac{c}{x^k}=0$.

b) Các phép toán về giới hạn hữu hạn của hàm số vẫn đúng khi thay x → x0​ bằng x → +∞​ hoặc x → -∞​.

Ví dụ

Tìm các giới hạn sau:

a) $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\frac{1-3x^2}{x^2+2x}$;

b) $\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}\frac{2}{x+1}$.

 Giải

a) $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\frac{1-3x^2}{x^2+2x}=\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\frac{\frac{1}{x^2}-3}{1+\frac{2}{x}}=\frac{\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\frac{1}{x^2}-\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}3}{\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}1+\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\frac{2}{x}}=\frac{0-3}{1+0}$ = -3.

b) $\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}\frac{2}{x+1}=\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}\frac{\frac{2}{x}}{1+\frac{1}{x}}=\frac{\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}\frac{2}{x}}{\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}1+\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}\frac{1}{x}}=\frac{0}{1+0}$ = 0.

5. Giới hạn vô cực của hàm số tại một điểm

Cho hàm số y = f(x) xác định trên khoảng (x0 ; b).

• Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn bên phải+∞ khi x → x0 về bên phải nếu với dãy số (xn) bất kì, x0 < xn < b và xn → x0 thì f(xn) → +∞, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)=+\infty}$ hay f(x) → +∞ khi x → $x_0^+$.

• Ta nói hàm số y = f(x) có giới hạn bên phải-∞ khi x → x0 về bên phải nếu với dãy số (xn) bất kì, x0 < xn < b và xn → x0 thì f(xn) → -∞, kí hiệu ${\color{Blue}\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)=-\infty}$ hay f(x) → -∞ khi x → $x_0^+$.

Chú ý:

a) Các giới hạn $\underset{x\rightarrow x_0^-}{lim}f(x)=+\infty,\underset{x\rightarrow x_0^-}{lim}f(x)=-\infty,\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}f(x)=+\infty,\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}f(x)=-\infty,\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}f(x)=+\infty,\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}f(x)=-\infty$ được định nghĩa tương tự như trên.

b) Ta có các giới hạn thường dùng sau:

• $\underset{x\rightarrow a^+}{lim}\frac{1}{x-a}=+\infty$ và $\underset{x\rightarrow a^-}{lim}\frac{1}{x-a}=-\infty$ (a ∈ ℝ);

• $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}x^k=+\infty$ với k nguyên dương;

• $\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}x^k=+\infty$ nếu k nguyên dương chẵn;

• $\underset{x\rightarrow-\infty}{lim}x^k=-\infty$ nếu k nguyên dương lẻ.

c) Các phép toán về giới hạn hữu hạn của hàm số chỉ áp dụng được khi tất cả các hàm số được xét có giới hạn hữu hạn. Với giới hạn vô cực, ta tính theo quy tắc cho bởi bảng sau:

$\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}f(x)$ $\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}g(x)$ $\underset{x\rightarrow x_0^+}{lim}[f(x) . g(x)]$
L > 0 +∞ +∞
-∞ -∞
L < 0 +∞ -∞
-∞ +∞

Các quy tắc trên vẫn đúng khi thay $x_0^+$ thành $x_0^-$ (hoặc +∞, -∞).

Ví dụ

Tìm các giới hạn sau:

a) $\underset{x\rightarrow3^-}{lim}\frac{2x}{x-3}$;

b) $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}(3x-1)$.

Giải

a) $\underset{x\rightarrow3^-}{lim}2x$ = 2.3 = 6 ; $\underset{x\rightarrow3^-}{lim}\frac{1}{x-3}=-\infty$

Do đó $\underset{x\rightarrow3^-}{lim}\frac{2x}{x-3}=\underset{x\rightarrow3^-}{lim}\left(2x.\frac{1}{x-3}\right)=-\infty$.

b) $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}(3x-1)=\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\left[x.\left(3-\frac{1}{x}\right)\right]$.

Ta có, $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}x=+\infty;\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}\left(3-\frac{1}{x}\right)$ = 3 - 0 = 3, nên $\underset{x\rightarrow+\infty}{lim}(3x-1)=+\infty$.


Xem thêm các bài học khác :

CHƯƠNG III. GIỚI HẠN. HÀM SỐ LIÊN TỤC

Bài 1. Giới hạn của dãy số
Bài 2. Giới hạn của hàm số
Bài 3. Hàm số liên tục