Analiza matematyczna 1/Ćwiczenia 11: Reguła de l'Hospitala. Równość asymptotyczna

11. Twierdzenie de l'Hospitala. Równość asymptotyczna.

Ćwiczenie 11.1.

Wyznaczyć granice

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned & {\rm a}) \lim_{x\rightarrow 0}\frac{x}{\ln{x}}, \qquad & & {\rm b}) \lim_{x\rightarrow 1^+}\frac{{\rm ln}x}{\sqrt{x^2-1}}, \qquad && {\rm c}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{x^4}{e^{x^2}},\\ & {\rm d}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{\sin{\frac{1}{x}}}{\mathrm{arc\,ctg}\,{x}}, \qquad&& {\rm e}) \lim_{x\rightarrow -\infty} \frac{e^{\frac{1}{x}}-1}{\frac{\pi}{2}+\mathrm{arctg}\,{x}}, \qquad && {\rm f}) \lim_{x\rightarrow 0^+}\frac{\ln{x}}{\mathrm{ctg}\,{x}}, \\ & {\rm g}) \lim_{x\rightarrow 0}\frac{\ln\cos{x}}{{x}}, \qquad && {\rm h}) \lim_{x\rightarrow 0^-}\frac{e^{\frac{1}{x^2}}}{\mathrm{ctg}\,{x}},\qquad && {\rm i}) \lim_{x\rightarrow 1}\frac{\mathrm{arctg}\,{\frac{x^2-1}{x^2+1}}}{x-1}. \\ \endaligned }

Wskazówka

Należy sprawdzić, czy wolno zastosować regułę de l'Hospitala, to znaczy czy odpowiednie funkcje są różniczkowalne w odpowiednim sąsiedztwie, czy ułamek jest symbolem nieoznaczonym $\left[\frac{0}{0}\right]$ lub $\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]$ i czy istnieje granica ilorazu pochodnych. Jeśli wszystkie założenia są spełnione, stosujemy regułę de l'Hospitala.

Rozwiązanie

W kwadratowych nawiasach wpisujemy, jaki symbol pojawia się w danym wyrażeniu. Przypominamy, że bardzo ważne jest upewnić się, czy odpowiedni iloraz spełnia założenia reguły de l'Hospitala, to znaczy czy odpowiednie funkcje są różniczkowalne w odpowiednim sąsiedztwie, czy ułamek jest symbolem nieoznaczonym $\left[\frac{0}{0}\right]$ lub $\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]$ i czy istnieje granica ilorazu pochodnych. Literka $H$ pod znakiem równości oznacza, że stosujemy regułę de l'Hospitala i wobec tego równość jest prawdziwa tylko pod założeniem, że granica po jej prawej stronie istnieje. Jeśli granica ta nie istnieje, nie ma równości!

a) Ułamek występujący w granicy $\underset{x\to 0}{\lim }\frac{x}{\ln x}$ nie prezentuje symbolu nieoznaczonego, zatem tu nie wolno stosować reguły de l'Hospitala! Mamy $\underset{x\to 0}{\lim }\frac{x}{\ln x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ \end{array}0;$
b) $\underset{x\to 1^{+}}{\lim }\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}x}{\sqrt{x^2-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 1^{+}}{\lim }\frac{\frac{1}{x}}{\frac{x}{\sqrt{x^2-1}}}=\underset{x\to 1^{+}}{\lim }\frac{\sqrt{x^2-1}}{x^2}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{1}\right]\\ =\\ \end{array}0;$

c)

$\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x^4}{e^{x^2}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{4x^3}{2x{e}^{x^2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2x^2}{e^{x^2}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{4x}{2x{e}^{x^2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2}{e^{x^2}}\begin{array}{c}\left[\frac{2}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ \end{array}0;$
d) $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\sin \frac{1}{x}}{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-\frac{1}{x^2}\cos \frac{1}{x}}{-\frac{1}{x^2+1}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{1}{x^2})\cos \frac{1}{x}=1;$

e)

$\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x}}-1}{\frac{\pi }{2}+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-\frac{1}{x^2}{e}^{\frac{1}{x}}}{\frac{1}{x^2+1}}=\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }(1+\frac{1}{x^2})(-e^{\frac{1}{x}})=-1;$

f)

$\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{\ln x}{\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{\frac{1}{x}}{-\frac{1}{{\sin }^{2}x}}=\underset{x\to 0^{+}}{\lim }-\sin x\cdot \frac{\sin x}{x}\begin{array}{c}[0\cdot 1]\\ =\\ \end{array}0;$

g)

$\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\ln \cos x}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0}{\lim }\frac{-\mathrm{t}\mathrm{g}x}{1}=0;$

h)

$\underset{x\to 0^{-}}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x^2}}}{\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0^{-}}{\lim }\frac{-\frac{2}{x^3}{e}^{\frac{1}{x^2}}}{-\frac{1}{{\sin }^{2}x}}=\underset{x\to 0^{-}}{\lim }2{\left(\frac{\sin x}{x}\right)}^2\frac{e^{\frac{1}{x^2}}}{x}\begin{array}{c}[2\cdot 1^2\cdot \frac{+\mathrm{\infty }}{0^{-}}]\\ =\\ \end{array}-\mathrm{\infty };$

i)

$\underset{x\to 1}{\lim }\frac{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}\frac{x^2-1}{x^2+1}}{x-1}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 1}{\lim }\frac{\frac{4x}{(x^2+1{)}^2}}{1+{\left(\frac{x^2-1}{x^2+1}\right)}^2}\begin{array}{c}\left[\frac{1}{1+0^2}\right]\\ =\\ \end{array}1.$

Ćwiczenie 11.2.

Wyznaczyć granice

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned &{\rm a}) \lim_{x\rightarrow 0} \sqrt{x}\ln^2{x},\quad & &{\rm b}) \lim_{x\rightarrow 2^+} (x-2)e^{\frac{1}{x-2}}, \quad & &{\rm c}) \lim_{x\rightarrow +\infty} (\pi - 2\mathrm{arctg}\,{x})\ln{x}. \endaligned }

Wskazówka

Z jakim symbolem nieoznaczonym mamy tu do czynienia? Jak inaczej zapisać wyrażenie, którego granicę liczymy, aby móc skorzystać z reguły de l'Hospitala? Warto tu sobie przypomnieć zasadę poznaną jeszcze w szkole podstawowej i ją trochę odwrócić: Jeśli mnożymy przez pewną liczbę niezerową, to dzielimy przez... (przez co?). Ponadto warto przypomnieć sobie wartość granicy $\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\sin x}{x}$.

Rozwiązanie

Mamy tu do czynienia z symbolem nieoznaczonym $[0\cdot \mathrm{\infty }]$. Iloczyny zamieniamy na ilorazy zgodnie z regułą: Jeśli mnożymy przez liczbę niezerową, to dzielimy przez jej odwrotność. Można to oczywiście zrobić na dwa sposoby (biorąc odwrotność pierwszego lub drugiego czynnika), ale na ogół jedna z opcji jest korzystniejsza. Ogólna zasada jest taka, by po zróżniczkowaniu wyrażenie się upraszczało, a nie komplikowało.

a)Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \ \displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+} \sqrt{x}\ln^2{x}&=& \displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\ln^2{x}}{x^{-\frac12}}\begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array}\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\frac{2\ln{x}}x}{-\frac12x^{-\frac32}}= \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{-4\ln{x}}{x^{-\frac12}}\begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array}\\ &=&\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{-\frac{4}x}{-\frac12x^{-\frac32}}= \lim_{x\rightarrow 0^+} 8x^{\frac12}=0;\end{array}}
b)Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \lim_{x\rightarrow 2^+} (x-2)e^{\frac{1}{x-2}}&=& \displaystyle \lim_{x\rightarrow 2^+} \frac{e^{\frac{1}{x-2}}}{(x-2)^{-1}}\begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 2^+} \frac{-(x-2)^{-2}e^{\frac{1}{x-2}}}{-(x-2)^{-2}}=\\ &=& \displaystyle \lim_{x\rightarrow 2^+} e^{\frac{1}{x-2}}=+\infty; \end{array} }
c)Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle \displaystyle \lim_{x\rightarrow +\infty} (\pi - 2\mathrm{arctg}\,{x})\ln{x}&=&\displaystyle \lim_{x\rightarrow +\infty} \frac{\pi - 2\mathrm{arctg}\,{x}}{\ln^{-1}{x}} \begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow +\infty} \frac{- \frac2{1+x^2}}{-\frac{\ln^{-2}{x}}x} = \\ &=& \displaystyle \lim_{x\rightarrow +\infty} \frac{2x\ln^2{x}}{1+x^2} = \lim_{x\rightarrow +\infty} \frac{2}{1+x^{-2}}\cdot \frac{\ln^2{x}}{x} \begin{array} {c}\left[2\cdot 0\right]\\=\\\,\end{array} 0, \end{array} }
bo $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{{\ln }^{2}x}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2\ln x}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2}{x}=0.$

Ćwiczenie 11.3.

Wyznaczyć granice

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned &{\rm a}) \lim_{x\rightarrow +\infty}(x-{\rm ln}x), \quad & &{\rm b}) \lim_{x\rightarrow +\infty} \left(\frac{1}{ \mathrm{arc\,ctg}\,{x}}-x\right), \quad & &{\rm c}) \lim_{x\rightarrow +\infty} [(x+2)e^{\frac{1}{x+2}}-x],\\&{\rm d}) \lim_{x\rightarrow +\infty} (e^x - x^3), \quad & &{\rm e}) \lim_{x\rightarrow \frac{\pi}{2}^+} \left(\frac{1}{\pi-2x}-\frac{1}{\cos{x}}\right), \quad & &{\rm f}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\left(x-x^2\ln\left(1+\frac{1}{x}\right)\right). \endaligned }

Wskazówka

Z jakim symbolem nieoznaczonym mamy tu do czynienia? Jak inaczej zapisać różnicę, by pojawił się iloraz albo iloczyn? Możliwych jest kilka dróg. Można coś wyjąć przed nawias. Można też zapisać odjemną i odjemnik w postaci ułamków i sprowadzić do wspólnego mianownika. W podpunkcie c) warto poprzekształcać wyrażenie, którego granicę mamy policzyć. Jeśli wymnożymy okrągły nawias przez czynnik za nim, jeden z trzech składników, jakie teraz otrzymamy, będzie symbolem oznaczonym (który?), natomiast z pozostałych dwóch można wyjąć wspólny czynnik przed nawias (jaki?).

Rozwiązanie

Mamy tu do czynienia z symbolem nieoznaczonym $[\mathrm{\infty }-\mathrm{\infty }]$.

$\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">a<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(x-\mathrm{l}\mathrm{n}x)=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }x(1-\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}x}{x})=+\mathrm{\infty },$
bo $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}x}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{x}=0.$
$\begin{array}{lll}\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">b<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(\frac{1}{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}-x)& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x^{-1}-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}{x^{-1}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-x^{-2}+(1+x^2{)}^{-1}}{-x^{-2}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x-x^{-1}(x^2+1{)}^{-1}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-1+\frac{x^2}{1+x^2}}{-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x-\frac{x}{1+x^2}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\frac{2x(x^2+1)-2x^3}{(x^2+1{)}^2}}{\frac{1}{x^2+1}-\frac{x^2+1-2x^2}{(x^2+1{)}^2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2x}{2x^2}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{x}=0.\end{array}$

$\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">c<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}$ Przekształćmy najpierw wyrażenie pod granicą

$(x+2)e^{\frac{1}{x+2}}-x=x{e}^{\frac{1}{x+2}}+2e^{\frac{1}{x+2}}-x=x(e^{\frac{1}{x+2}}-1)+2e^{\frac{1}{x+2}}.$

Policzmy

$\begin{array}{lll}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }x(e^{\frac{1}{x+2}}-1)& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x+2}}-1}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-(x+2{)}^{-2}{e}^{\frac{1}{x+2}}}{-x^{-2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{(1+\frac{2}{x})}^{-2}{e}^{\frac{1}{x+2}}=1.\end{array}$

A ponieważ

$\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }2e^{\frac{1}{x+2}}=2$, więc$\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }[(x+2)e^{\frac{1}{x+2}}-x]=1+2=3.$

$\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">d<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(e^x-x^3)=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{e}^x(1-\frac{x^3}{e^x})\begin{array}{c}[+\mathrm{\infty }\cdot (1-0)]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty },$
bo $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x^3}{e^x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{3x^2}{e^x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{6x}{e^x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{6}{e^x}=0.$
$\begin{array}{lll}\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">e<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}\underset{x\to {\frac{\pi }{2}}^{+}}{\lim }(\frac{1}{\pi -2x}-\frac{1}{\cos x})& =& \underset{x\to {\frac{\pi }{2}}^{+}}{\lim }\frac{\cos x-\pi +2x}{(\pi -2x)\cos x}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to {\frac{\pi }{2}}^{+}}{\lim }\frac{-\sin x+2}{-2\cos x-(\pi -2x)\sin x}\begin{array}{c}\left[\frac{1}{-0^{-}-0^{-}}\right]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty }.\end{array}$
$\begin{array}{lll}\text{<mrow data-mjx-texclass="ORD">f<mo stretchy="false">)</mo></mrow>}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(x-x^2\ln (1+\frac{1}{x}))& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x^{-1}-\ln (1+x^{-1})}{x^{-2}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-x^{-2}+x^{-2}(1+x^{-1}{)}^{-1}}{-2x^{-3}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-1+\frac{x}{x+1}}{-2x^{-1}}=\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x}{2(x+1)}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{2(1+x^{-1})}=\frac{1}{2}.\end{array}$

Ćwiczenie 11.4.

Wyznaczyć granice

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned &{\rm a}) \lim_{x\rightarrow +\infty} x^{\frac{1}{x}}, \qquad & &{\rm b}) \lim_{x\rightarrow 0^+}\left(\frac{1}{x}\right)^{\sin{x}}, \qquad & &{\rm c}) \lim_{x\rightarrow 1} x^{\frac{1}{x-1}}, \\&{\rm d}) \lim_{x\rightarrow 0} (e^{2x}+x)^{\frac{1}{x}}, \qquad & &{\rm e}) \lim_{x\rightarrow 0} \left(\mathrm{tg}\, \frac{x}{2}\right)^{\frac{1}{\ln x}}, \qquad & &{\rm f}) \lim_{x\rightarrow 0} \left({\rm ln}\frac{1}{x}\right)^{x}, \\&{\rm g}) \lim_{x\rightarrow 0^+} \left(\sin{2x}\right)^\frac{1}{3\ln x}, \qquad & &{\rm h}) \lim_{x\rightarrow \pi} \left(1-\cos{4x}\right)^{\mathrm{tg}\, x}, \qquad & &{\rm i}) \lim_{x\rightarrow 0} \left(\frac{\ln(1+x)}{x}\right)^\frac{1}{2x}\\&{\rm j}) \lim_{x\rightarrow 0} (\ln(e+x^3))^\frac{1}{x^3}, \qquad & &{\rm k}) \lim_{x\rightarrow 0} \left(\ln\frac{1}{x}\right)^{3\sqrt{x}}, \qquad & &{\rm l}) \lim_{x\rightarrow +\infty} \left(\frac{2}{\pi}\mathrm{arctg}\, x\right)^x. \endaligned }

Wskazówka

Z jakimi symbolami nieoznaczonymi mamy tu do czynienia? Przypomnijmy sobie, że wyrażenie typu ${(f(x))}^{g(x)}$ można przedstawić w postaci $e^{\varphi (x)}$. Dlaczego? Jak wygląda $\varphi (x)$? Zauważmy, że wystarczy teraz policzyć granicę $\varphi (x)$ i tu mogą się przydać wskazówki do dwóch pierwszych zadań w tym module.

Rozwiązanie

W tym zadaniu pojawiają się symbole nieoznaczone typu wykładniczego: $[0^0],[{\mathrm{\infty }}^0],[1^{\mathrm{\infty }}]$. Przypominamy, że wyrażenie typu $(f(x){)}^{g(x)}$ można przedstawić w postaci $e^{g(x)\ln f(x)}$. Tej postaci będziemy używać licząc odpowiednie granice.

a) Ponieważ $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\ln x}{x}=0$ (porównaj rozwiązanie ćwiczenia 11.3. a)), mamy

$\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{x}^{\frac{1}{x}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{e}^{\frac{\ln x}{x}}=e^0=1.$

b) Wobec zależności

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0^+}(-\sin{x}\ln{x})= \lim_{x\rightarrow 0^+}\frac{-\ln{x}}{\sin^{-1}{x}} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0^+}\frac{-\frac1x}{-\cos{x}\sin^{-2}{x}}= \lim_{x\rightarrow 0^+}\mathrm{tg}\,{x}\cdot\frac{\sin{x}}{x} \begin{array} {c}\left[0\cdot 1\right]\\=\\\;\end{array} 0 \endaligned }

(wykorzystujemy tu znaną zależność $\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{\sin x}{x}=1$), otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0^+}\left(\frac{1}{x}\right)^{\sin{x}}=\lim_{x\rightarrow 0^+}x^{-\sin{x}}=\lim_{x\rightarrow 0^+}e^{-\sin{x}\ln{x}}=e^0=1. \endaligned }

c) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 1} \frac{\ln{x}}{x-1} \begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 1} \frac{1}{x}=1 \endaligned }

i stąd wnioskujemy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 1} x^{\frac{1}{x-1}}= \lim_{x\rightarrow 1} e^{\frac{\ln{x}}{x-1}}=e^1=e. \endaligned }

d) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} {\frac{\ln(e^{2x}+x)}{x}} \begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0} {\frac{2e^{2x}+1}{e^{2x}+x}}=3 \endaligned }

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} (e^{2x}+x)^{\frac{1}{x}}=\lim_{x\rightarrow 0} e^{\frac{\ln(e^{2x}+x)}{x}}=e^3. \endaligned }

e) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} {\frac{\ln \mathrm{tg}\,\frac{x}{2} }{\ln x}} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0} {\frac{\frac1{2\mathrm{tg}\,\frac{x}{2}\cos^{2}{\frac{x}2}} }{\frac1x}}= \lim_{x\rightarrow 0} {\frac{x }{2\cos{\frac x2}\sin{\frac x2}}}= \lim_{x\rightarrow 0} \left(\frac{\sin x}{x}\right)^{-1}=1 \endaligned }

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} \left(\mathrm{tg}\, \frac{x}{2}\right)^{\frac{ 1}{\ln x}}= \lim_{x\rightarrow 0} e^{\frac{\ln \mathrm{tg}\,\frac{x}{2}}{\ln x}}=e^1=e. \endaligned }

f) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} x\ln(-\ln{x})= \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\ln(-\ln{x})}{x^{-1}} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\frac1{x\ln{x}}}{-x^{-2}}= \lim_{x\rightarrow 0} -\frac{x}{\ln{x}}\begin{array} {c}\left[\frac{0}{\infty}\right]\\=\\\;\end{array} 0 \endaligned }

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} \left({\rm ln}\frac{1}{x}\right)^{x}= \lim_{x\rightarrow 0} \left(-\ln x\right)^{x}= \lim_{x\rightarrow 0} e^{x\ln(-\ln{x})}=e^0=1. \endaligned }

g) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\ln \sin{2x}}{3\ln x} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{2\frac{\cos{2x}}{\sin{2x}}}{3x^{-1}}= \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\frac13\cos{2x}}{\frac{\sin{2x}}{2x}} \begin{array} {c}\left[\frac{\frac13}{1}\right]\\=\\\,\end{array} \frac13 \endaligned }

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0^+} \left(\sin{2x}\right)^\frac{1}{3\ln x}= \lim_{x\rightarrow 0^+} e^\frac{\ln \sin{2x}}{3\ln x}=e^\frac13. \endaligned }

h) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

$\begin{array}{lll}\underset{x\to \pi }{\lim }\mathrm{t}\mathrm{g}x\ln (1-\cos 4x)& =& \underset{x\to \pi }{\lim }\frac{\ln (1-\cos 4x)}{\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to \pi }{\lim }\frac{\frac{4\sin 4x}{1-\cos 4x}}{-\frac{1}{{\sin }^{2}x}}=\underset{x\to \pi }{\lim }-\frac{4\sin 4x{\sin }^{}x}{1-\cos 4x}=\\ & =& \underset{x\to \pi }{\lim }-\frac{8\sin 2x\cos 2x{\sin }^{}x}{2{\sin }^{2}2x}=\underset{x\to \pi }{\lim }-\frac{4\cos 2x\sin x}{\cos x}=0\end{array}$

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow \pi} \left(1-\cos{4x}\right)^{\mathrm{tg}\, x}= \lim_{x\rightarrow \pi} e^{\mathrm{tg}\, x\ln\left(1-\cos{4x}\right)}=e^0=1. \endaligned }

i) Zauważmy najpierw, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\ln(1+x)}{x}\begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow 0} \frac{1}{1+x}=1, \endaligned}

a stąd $\underset{x\to 0}{\lim }(\ln |\ln (1+x)|-\ln |x|)=\underset{x\to 0}{\lim }\ln \left(\frac{\ln (1+x)}{x}\right)=0$. Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

$\begin{array}{lll}\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\ln |\ln (1+x)|-\ln |x|}{2x}& \begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}& \underset{x\to 0}{\lim }\frac{\frac{1}{(1+x)\ln (1+x)}-\frac{1}{x}}{2}=\\ & =& \underset{x\to 0}{\lim }\frac{x(1+x{)}^{-1}-\ln (1+x)}{2x\ln (1+x)}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0}{\lim }\frac{(1+x{)}^{-1}-x(1+x{)}^{-2}-(1+x{)}^{-1}}{2\ln (1+x)+2x(1+x{)}^{-1}}=\\ & =& \underset{x\to 0}{\lim }\frac{-x(1+x{)}^{-2}}{2\ln (1+x)+2x(1+x{)}^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0}{\lim }\frac{-(1+x{)}^{-2}+2x(1+x{)}^{-3}}{4(1+x{)}^{-1}-2x(1+x{)}^{-2}}=-\frac{1}{4}\end{array}$

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} \left(\frac{\ln(1+x)}{x}\right)^\frac{1}{2x}= \lim_{x\rightarrow 0} e^\frac{\ln|\ln(1+x)|-\ln|x|}{2x}=e^{-\frac14}. \endaligned }

j) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\endaligned”): {\displaystyle \begin{array}{lll}\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\ln(\ln(e+x^3))}{x^3} &\begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} &\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0} \frac{\frac{3x^2}{(e+x^3)\ln(e+x^3)}}{3x^2}=\\ &=&\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0} \frac{1}{(e+x^3)\ln(e+x^3)}=\frac1{e} \endaligned }

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} (\ln(e+x^3))^\frac{1}{x^3}= \lim_{x\rightarrow 0} e^\frac{\ln(\ln(e+x^3))}{x^3}=e^\frac1{e}. \end{array} }

k) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

$\begin{array}{lll}\underset{x\to 0}{\lim }3\sqrt{x}\ln (-\ln x)& =& \underset{x\to 0}{\lim }3\frac{\ln (-\ln x)}{x^{-\frac{1}{2}}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0}{\lim }3\frac{\frac{1}{x\ln x}}{-\frac{1}{2}{x}^{-\frac{3}{2}}}=\\ & =& \underset{x\to 0}{\lim }-6\frac{x^{\frac{1}{2}}}{\ln x}\begin{array}{c}[-6\cdot \frac{0}{-\mathrm{\infty }}]\\ =\\ \end{array}0\end{array}$

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow 0} \left(\ln\frac{1}{x}\right)^{3\sqrt{x}}= \lim_{x\rightarrow 0} \left(-\ln{x}\right)^{3\sqrt{x}}=\lim_{x\rightarrow 0}e^{3\sqrt{x}\ln(-\ln x)}=e^0=1. \endaligned }

l) Korzystając z reguły de l'Hospitala wyliczamy, że

$\begin{array}{lll}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }x\ln \left(\frac{2}{\pi }\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x\right)& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\ln \left(\frac{2}{\pi }\right)+\ln \mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\frac{1}{(1+x^2)\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}}{-x^{-2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }-\frac{1}{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}\cdot \frac{1}{1+x^{-2}}=-\frac{2}{\pi }\end{array}$

i stąd otrzymujemy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow +\infty} \left(\frac{2}{\pi}\mathrm{arctg}\, x\right)^x= \lim_{x\rightarrow +\infty} e^{ x\ln\left(\frac{2}{\pi}\mathrm{arctg}\, x\right)}=e^{-\frac2\pi}. \endaligned }

Ćwiczenie 11.5.

Zbadać, czy do następujących granic można stosować regułę de l'Hospitala. Policzyć te granice.

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned &{\rm a}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{e^{x^2}}{e^x},\qquad & &{\rm b}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{x-\sin{x}}{x+\sin{x}}, \qquad & &{\rm c}) \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{2x+\sin{2x}+1}{(2x+\sin{2x})(\sin{x}+3)^2}. \endaligned }

Wskazówka

a) Czy ułamek otrzymany po zróżniczkowaniu licznika i mianownika jest prostszy od ułamka początkowego? Czy kontynuowanie odpowiedniego różniczkowania doprowadzi w rezultacie do prostszych granic do policzenia? By policzyć tę granicę, warto sobie przypomnieć zasadę dzielenia potęg o tych samych podstawach. Proszę również pokazać, że tu założenia reguły de l'Hospitala są spełnione, czyli że iloraz pochodnych ma granicę.

b) Z jakim symbolem nieoznaczonym mamy tu do czynienia? Ile wynosi granica $\underset{x\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\sin x}{x}$? Czy pochodna mianownika wyrażenia, którego granicę mamy policzyć jest niezerowa? By policzyć granicę wystarczy wydzielić licznik i mianownik przez pewne wyrażenie.

c) Czy pochodna mianownika wyrażenia, którego granicę mamy policzyć jest niezerowa? Czy szukana granica w ogóle istnieje? Warto policzyć wartość ułamka dla pewnych ciągów zbieżnych do nieskończoności.

Rozwiązanie

a) W tym wypadku formalnie korzystać z reguły de l'Hospitala można, bo mamy symbol nieoznaczony $\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]$ i granica iloczynu pochodnych istnieje, co pokażemy za chwilę. Jednakże iloczyn pochodnych jest bardziej skomplikowany niż iloczyn funkcji i ewentualne dalsze postępowanie tylko to potęguje

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{e^{x^2}}{e^x} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{2xe^{x^2}}{e^x} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{2e^{x^2}+4x^2e^{x^2}}{e^x} \begin{array} {c}\left[\frac{\infty}{\infty}\right]\\=\\H\end{array} \\ \begin{array} {c}\;\\=\\H\end{array} \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{12xe^{x^2}+8x^3e^{x^2}}{e^x}=... \endaligned }

i dlatego znacznie wygodniej jest nie korzystać z reguły:

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{e^{x^2}}{e^x}=\lim_{x\rightarrow +\infty}e^{x^2-x}=\lim_{x\rightarrow +\infty}e^{x(x-1)} \begin{array} {c}\left[e^{+\infty}\right]\\=\\\;\end{array} +\infty. \endaligned }

Zauważmy jeszcze, że

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{2xe^{x^2}}{e^x}=\lim_{x\rightarrow +\infty}2xe^{x(x-1)} \begin{array} {c}\left[+\infty\cdot e^{+\infty}\right]\\=\\\;\end{array} +\infty \endaligned }

(czyli rzeczywiście istnieje granica iloczynu pochodnych) i tak dalej...

b) Mamy $x\pm \sin x=x(1\pm x^{-1}\sin x)$. Z twierdzenia o granicy iloczynu funkcji ograniczonej przez funkcję zbieżną do zera $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{x}^{-1}\sin x=0$, zatem w badanej w tym punkcie granicy $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x-\sin x}{x+\sin x}$ mamy symbol nieoznaczony $\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]$. Jednakże nie można badać granicy ilorazu pochodnych $\frac{1-\cos x}{1+\cos x}$ w nieskończoności, ponieważ mianownik tego ułamka zeruje się w punktach $\frac{\pi }{2}+(2n+1)\pi$ dla dowolnego $n$ naturalnego (w szczególności granica tego ilorazu nie istnieje). Natomiast

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{x-\sin{x}}{x+\sin{x}}= \lim_{x\rightarrow +\infty}\frac{1-x^{-1}\sin{x}}{1+x^{-1}\sin{x}}=1 \endaligned }

ponieważ $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }{x}^{-1}\sin x=0$.

c) Ponownie mamy do czynienia z symbolem nieoznaczonym $\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]$, gdyż

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned 2x+\sin{2x}+1\geq 2x+2\rightarrow +\infty\quad (x\rightarrow +\infty),\\ (2x+\sin{2x})(\sin{x}+3)^2\geq 2x+1\rightarrow +\infty\quad (x\rightarrow +\infty). \endaligned }

Jednakże nie można badać granicy ilorazu pochodnych

$\frac{2+2\cos 2x}{(2+2\cos 2x)(\sin x+3{)}^2+2(2x+\sin 2x)(\sin x+3)\cos x},$

bo jej mianownik zeruje się w punktach $\frac{\pi }{2}+2n\pi$, dla dowolnego $n\in \mathbb{\mathbb{N}}$. Z drugiej strony badana granica nie istnieje z definicji Heinego, bo jeśli

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned F(x)= \frac{2x+\sin{2x}+1}{(2x+\sin{2x})(\sin{x}+3)^2}= \frac{1}{(\sin{x}+3)^2}+ \frac{1}{(2x+\sin{2x})(\sin{x}+3)^2}, \endaligned }

to

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\aligned”): {\displaystyle \displaystyle \aligned F(n\pi)=\frac19+\frac1{18n\pi}\rightarrow \frac19\quad (n\rightarrow \infty), \\ F\left(\frac{\pi}{2}+2n\pi\right)=\frac1{16}+\frac1{16(\pi+4n\pi)}\rightarrow \frac1{16}\quad (n\rightarrow \infty). \endaligned }

Ćwiczenie 11.6.

Wyznaczyć asymptoty funkcji

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\qqaud”): {\displaystyle \displaystyle \begin{array}{lll} \textrm{a) } \displaystyle x\mapsto 3x(\pi+2\mathrm{arctg}\,{x}) &\qqaud& \textrm{b) } \displaystyle x\mapsto x\ln\left(1+\frac1x\right)\\ \textrm{c) }\displaystyle x\mapsto x^2e^\frac{1}{x}&\qqaud&\textrm{d) } \displaystyle x\mapsto (2x+1)e^{\frac{2}{3-x}}\\ \textrm{e) }\displaystyle x\mapsto x\ln\left(e+\frac3{x^2}\right)&\qqaud&\textrm{f) }\displaystyle x\mapsto \ln|x|\arcsin\frac1x\\ \textrm{g) }x\mapsto (x^2+1)\mathrm{arc\,ctg}\, x &\qqaud&\textrm{h) }\displaystyle x\mapsto \frac{3\arcsin{2x}-2\arcsin{3x}}{x^4} \end{array} }

Wskazówka

Jak sprawdzić, czy dana funkcja ma asymptotę prawo- lub lewostronną pionową $x=c$? Jak sprawdzić, czy dana funkcja ma asymptotę poziomą w plus lub minus nieskończoności? Jak wyznaczyć $a$ i $b$, jeśli $y=ax+b$ jest asymptotą ukośną danej funkcji w plus lub minus nieskończoności?

Rozwiązanie

a) Dziedziną funkcji $f(x)=3x(\pi +2\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x)$ jest cały zbiór liczb rzeczywistych, zatem musimy poszukać tylko ewentualnych asymptot ukośnych. Liczymy granice

$\begin{array}{lll}\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }f(x)& =& \underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }3x(\pi +2\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x)=\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }3\frac{\pi +2\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }3\frac{\frac{2}{1+x^2}}{-x^{-2}}=\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-6}{1+x^{-2}}=-6,\end{array}$ $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }f(x)=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }3x(\pi +2\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x)\begin{array}{c}[+\mathrm{\infty }\cdot 2\pi ]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty },$ $\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{f(x)}{x}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }3(\pi +2\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x)=6\pi ,$ Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\endaligned”): {\displaystyle \begin{array}{lll} \displaystyle \lim_{x\rightarrow +\infty} (f(x)-6\pi x)&=&\displaystyle\lim_{x\rightarrow +\infty} 3x(2\mathrm{arctg}\,{x}-\pi)= \lim_{x\rightarrow +\infty} 3\frac{2\mathrm{arctg}\,{x}-\pi}{x^{-1}} \begin{array} {c}\left[\frac{0}{0}\right]\\=\\H\end{array} \\ &=&\displaystyle \lim_{x\rightarrow +\infty} 3\frac{\frac2{1+x^2}}{-x^{-2}}= \lim_{x\rightarrow +\infty} \frac{-6}{1+x^{-2}}=-6. \endaligned}

Zatem funkcja $f$ ma asymptotę poziomą $y=-6$ w $-\mathrm{\infty }$ i asymptotę ukośną $y=6\pi x-6$ w $+\mathrm{\infty }$.

b) Dziedziną funkcji $g(x)=x\ln (1+\frac{1}{x})$ jest zbiór $(-\mathrm{\infty },-1)\cup (0,\mathrm{\infty })$.
Liczymy granice (przy czym zauważmy, że $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\ln |x+1|-\ln |x|=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\ln (1+\frac{1}{x})=0$)

$\begin{array}{lll}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }g(x)& =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }x\ln (1+\frac{1}{x})=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\ln (1+\frac{1}{x})}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\frac{1}{1+\frac{1}{x}}\cdot (-\frac{1}{x^2})}{-\frac{1}{x^2}}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{1+x^{-1}}=1,\end{array}$ $\underset{x\to -1^{-}}{\lim }g(x)=\underset{x\to -1^{-}}{\lim }x\ln \left(\frac{x+1}{x}\right)\begin{array}{c}[-1\cdot (-\mathrm{\infty })]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty },$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to 0^{+}}{\lim }g(x)& =& \underset{x\to 0^{+}}{\lim }x\ln (1+\frac{1}{x})=\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{\ln (1+\frac{1}{x})}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{\frac{1}{1+\frac{1}{x}}\cdot (-\frac{1}{x^2})}{-\frac{1}{x^2}}=\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{x}{1+x}=0.\end{array}$

Zatem funkcja $g$ ma asymptotę poziomą $y=1$ w obu nieskończonościach i lewostronną asymptotę pionową $x=-1$.

c) Dziedziną funkcji $h(x)=x^2{e}^{\frac{1}{x}}$ jest zbiór $\mathbb{ℝ}\setminus \{0\}$. Liczymy granice

$\underset{x\to 0^{-}}{\lim }h(x)=\underset{x\to 0^{-}}{\lim }{x}^2{e}^{\frac{1}{x}}\begin{array}{c}[0\cdot e^{-\mathrm{\infty }}]\\ =\\ \end{array}0,$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to 0^{+}}{\lim }h(x)& =& \underset{x\to 0^{+}}{\lim }{x}^2{e}^{\frac{1}{x}}=\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x}}}{x^{-2}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{-x^{-2}{e}^{\frac{1}{x}}}{-2x^{-3}}=\\ & =& \underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x}}}{2x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{-x^{-2}{e}^{\frac{1}{x}}}{-2x^{-2}}=\underset{x\to 0^{+}}{\lim }\frac{e^{\frac{1}{x}}}{2}=+\mathrm{\infty },\end{array}$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }h(x)=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }{x}^2{e}^{\frac{1}{x}}=+\mathrm{\infty },$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{h(x)}{x}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }x{e}^{\frac{1}{x}}=\pm \mathrm{\infty }.$

Zatem funkcja $h$ ma tylko jedną asymptotę: pionową prawostronną $x=0$.

d) Dziedziną funkcji $\mathrm{\Phi }(x)=(2x+1)e^{\frac{2}{3-x}}$ jest zbiór $\mathbb{ℝ}\setminus \{3\}$. Liczymy granice

$\underset{x\to 3^{-}}{\lim }\mathrm{\Phi }(x)=\underset{x\to 3^{-}}{\lim }(2x+1)e^{\frac{2}{3-x}}\begin{array}{c}[7\cdot e^{+\mathrm{\infty }}]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty },$ $\underset{x\to 3^{+}}{\lim }\mathrm{\Phi }(x)=\underset{x\to 3^{+}}{\lim }(2x+1)e^{\frac{2}{3-x}}\begin{array}{c}[7\cdot e^{-\mathrm{\infty }}]\\ =\\ \end{array}0,$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\mathrm{\Phi }(x)=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }(2x+1)e^{\frac{2}{3-x}}\begin{array}{c}[\pm \mathrm{\infty }\cdot e^0]\\ =\\ \end{array}\pm \mathrm{\infty },$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{\Phi }(x)}{x}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }(2+\frac{1}{x})e^{\frac{2}{3-x}}=2.$

Pozostała do policzenia granica

$\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }(\mathrm{\Phi }(x)-2x)=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }[2x(e^{\frac{2}{3-x}}-1)+e^{\frac{2}{3-x}}]=-4+1=-3$

bo

$\begin{array}{lll}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }2x(e^{\frac{2}{3-x}}-1)& =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }2\frac{e^{\frac{2}{3-x}}-1}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }2\frac{e^{\frac{2}{3-x}}2(3-x{)}^{-2}}{-x^{-2}}=\\ & =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }-4{\left(\frac{1}{3x^{-1}-1}\right)}^2{e}^{\frac{2}{3-x}}=-4.\end{array}$

Zatem funkcja $\mathrm{\Phi }$ ma jedną lewostronną asymptotę pionową $x=3$ i asymptotę ukośną o równaniu $y=2x-3$ w obu nieskończonościach.

e) Dziedziną funkcji $\mathrm{\Psi }(x)=x\ln (e+\frac{3}{x^2})$ jest zbiór $\mathbb{ℝ}\setminus \{0\}$. Liczymy granice

$\begin{array}{lll}\underset{x\to 0}{\lim }\mathrm{\Psi }(x)& =& \underset{x\to 0}{\lim }x\ln (e+\frac{3}{x^2})=\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\ln (e{x}^2+3)-2\ln |x|}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to 0}{\lim }\frac{\frac{2ex}{e{x}^2+3}-\frac{2}{x}}{-x^{-2}}=\underset{x\to 0}{\lim }(2x-\frac{2e{x}^3}{e{x}^2+3})=0,\end{array}$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\mathrm{\Psi }(x)=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }x\ln (e+\frac{3}{x^2})=\pm \mathrm{\infty },$ $\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{\Psi }(x)}{x}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\ln (e+\frac{3}{x^2})=1,$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }(\mathrm{\Psi }(x)-x)& =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }x(\ln (e+\frac{3}{x^2})-1)=\\ & =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\ln \frac{e{x}^2+3}{x^2}-1}{x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\frac{x^2}{e{x}^2+3}\cdot \frac{-6}{x^3}}{-x^{-2}}=\\ & =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{6x}{e{x}^2+3}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{6}{ex+3x^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{6}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ \end{array}0.\end{array}$

Zatem funkcja $\mathrm{\Psi }$ ma tylko asymptotę ukośną $y=x$ w obu nieskończonościach.

f) Dziedziną funkcji $F(x)=\ln |x|\arcsin \frac{1}{x}$ jest zbiór $(-\mathrm{\infty },-1]\cup [1,+\mathrm{\infty })$. Do policzenia zatem mamy tylko granice w nieskończonościach.

$\begin{array}{lll}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }F(x)& =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\ln |x|\arcsin \frac{1}{x}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\arcsin \frac{1}{x}}{{\ln }^{-1}|x|}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-\frac{1}{x^2\sqrt{1-x^{-2}}}}{-\frac{{\ln }^{-2}|x|}{x}}=\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{{\ln }^2|x|}{x}\cdot \frac{1}{\sqrt{1-x^{-2}}}\begin{array}{c}[0\cdot 1]\\ =\\ \end{array}0,\end{array}$

bo

$\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{{\ln }^2|x|}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2\ln |x|}{x}\begin{array}{c}\left[\frac{\mathrm{\infty }}{\mathrm{\infty }}\right]\\ =\\ H\end{array}\underset{x\to \pm \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{2}{x}=0.$

Zatem $F$ ma asymptotę poziomą $y=0$ w obu nieskończonościach.

g) Dziedziną funkcji $G(x)=(x^2+1)\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x$ jest cały zbiór liczb rzeczywistych, zatem wystarczy zbadać granice w nieskończonościach.

$\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }G(x)=\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }(x^2+1)\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x\begin{array}{c}[+\mathrm{\infty }\cdot \pi ]\\ =\\ \end{array}+\mathrm{\infty },$ $\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{G(x)}{x}=\underset{x\to -\mathrm{\infty }}{\lim }(x+x^{-1})\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x\begin{array}{c}[-\mathrm{\infty }\cdot \pi ]\\ =\\ \end{array}-\mathrm{\infty },$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }G(x)& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(x^2+1)\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}{(x^2+1{)}^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-(1+x^2{)}^{-1}}{-2x(x^2+1{)}^{-2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x+x^{-1}}{2}=+\mathrm{\infty },\end{array}$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{G(x)}{x}& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(x+x^{-1})\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x}{x(1+x^2{)}^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-(1+x^2{)}^{-1}}{(1+x^2{)}^{-1}-2x^2(x^2+1{)}^{-2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{x^2+1}{x^2-1}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1+x^{-2}}{1-x^{-2}}=1,\end{array}$ $\begin{array}{lll}\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }(G(x)-x)& =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }((x^2+1)\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x-x)=\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{g}x-x(1+x^2{)}^{-1}}{(1+x^2{)}^{-1}}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{-(1+x^2{)}^{-1}-(1+x^2{)}^{-1}+2x^2(x^2+1{)}^{-2}}{-2x(1+x^2{)}^{-2}}=\underset{x\to +\mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{x}=0.\end{array}$

Zatem funkcja $G$ ma tylko jedną asymptotę ukośną $y=x$ w plus nieskończoności.

h) Dziedziną funkcji $K(x)=\frac{3\arcsin 2x-2\arcsin 3x}{x^4}$ jest suma przedziałów $[-\frac{1}{3},0)\cup (0,\frac{1}{3}]$. Musimy więc tylko policzyć granicę w zerze.

$\begin{array}{lll}\underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }K(x)& =& \underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }\frac{3\arcsin 2x-2\arcsin 3x}{x^4}\begin{array}{c}\left[\frac{0}{0}\right]\\ =\\ H\end{array}\\ & =& \underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }\frac{\frac{6}{\sqrt{1-4x^2}}-\frac{6}{\sqrt{1-9x^2}}}{4x^3}=\underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }\frac{3}{2}\cdot \frac{\sqrt{1-9x^2}-\sqrt{1-4x^2}}{x^3\sqrt{1-9x^2}\sqrt{1-4x^2}}=\\ & =& \underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }\frac{3}{2}\cdot \frac{-5x^2}{x^3\sqrt{1-9x^2}\sqrt{1-4x^2}(\sqrt{1-9x^2}+\sqrt{1-4x^2})}=\\ & =& \underset{x\to 0^{\pm }}{\lim }-\frac{15}{2}\cdot \frac{1}{x\sqrt{1-9x^2}\sqrt{1-4x^2}(\sqrt{1-9x^2}+\sqrt{1-4x^2})}\begin{array}{c}[-\frac{15}{2}\frac{1}{0^{\pm }\cdot 2}]\\ =\\ \end{array}\mp \mathrm{\infty }.\end{array}$

Zatem $K$ ma obustronną asymptotę pionową $x=0$.