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Limites e continuidade

Limites no infinito: comportamento no extremo e assíntotas horizontais

Aprenda a calcular limites no infinito: as regras dos graus para funções racionais, assíntotas horizontais, raízes quadradas e exemplos resolvidos com gráficos.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 8 min de leitura

Nesta página
  1. O que é um limite no infinito?
  2. O bloco básico: 1 sobre x elevado a uma potência
  3. O método: dividir pela maior potência do denominador
  4. As regras dos graus para funções racionais
  5. Raízes quadradas: por que os dois extremos podem diferir
  6. Infinito menos infinito: use o conjugado
  7. Limites no infinito versus limites infinitos
  8. Outras funções que você deve conhecer
  9. Erros comuns com limites no infinito
  10. Pratique a leitura do comportamento nos extremos

O que acontece com uma função lá longe no gráfico, além da borda da tela da calculadora? Ela se estabiliza, dispara para cima ou continua oscilando? Os limites no infinito respondem a essa pergunta, e para funções racionais existe um conjunto simples de regras que resolve quase todo problema em segundos.

O que é um limite no infinito?

Um limite no infinito descreve o valor do qual uma função se aproxima quando x cresce sem limite. Escrevemos

\lim_{x \to \infty} f(x) = L

para dizer que, quando x é grande o suficiente, f(x) fica tão perto de L quanto você quiser. Da mesma forma, \lim_{x \to -\infty} f(x) descreve o que acontece quando x fica muito negativo.

Juntos, esses dois limites descrevem o comportamento nos extremos de uma função: o que o gráfico faz bem à esquerda e bem à direita.

Há três resultados possíveis:

  • As saídas se aproximam de um número L. Então a reta y = L é uma assíntota horizontal.
  • As saídas crescem sem limite, e escrevemos \infty ou -\infty.
  • As saídas nunca se acomodam, como \sin x, que continua oscilando. Então o limite não existe.

O bloco básico: 1 sobre x elevado a uma potência

Tudo o que vem a seguir se apoia num único fato. Para qualquer potência positiva p,

\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x^p} = 0

Dividir um número fixo por um número enorme dá algo minúsculo. \frac{1}{1000} é pequeno, \frac{1}{1000^2} é menor ainda. O mesmo vale quando x \to -\infty, sempre que x^p estiver definido ali.

De modo mais geral, \frac{c}{x^p} \to 0 para qualquer constante c. A estratégia para expressões complicadas é reescrevê-las de modo que cada pedaço restante tenha a cara de \frac{c}{x^p}.

O método: dividir pela maior potência do denominador

Numa função racional, divida cada termo do numerador e do denominador pela maior potência de x que aparece no denominador. Depois deixe cada termo \frac{c}{x^p} ir para 0.

Exemplo resolvido 1: graus iguais

Calcule \lim_{x \to \infty} \frac{2x^2 - 3}{x^2 + 1}.

Passo 1. Encontre a maior potência do denominador. É x^2.

Passo 2. Divida cada termo por x^2.

\frac{2x^2 - 3}{x^2 + 1} = \frac{2 - \frac{3}{x^2}}{1 + \frac{1}{x^2}}

Passo 3. Deixe os termos pequenos sumirem. Quando x \to \infty, \frac{3}{x^2} \to 0 e \frac{1}{x^2} \to 0:

\lim_{x \to \infty} \frac{2x^2 - 3}{x^2 + 1} = \frac{2 - 0}{1 + 0} = 2

Os mesmos passos dão 2 quando x \to -\infty, então y = 2 é assíntota horizontal nos dois extremos.

Gráfico de y = (2x² − 3)/(x² + 1) se estabilizando em direção à assíntota horizontal y = 2
Quando x \to \pm\infty, a curva se aproxima de y = 2, a razão dos coeficientes líderes \frac{2}{1}.

Exemplo resolvido 2: denominador de grau maior

Calcule \lim_{x \to \infty} \frac{5x + 2}{x^2 + 1}.

Passo 1. A maior potência do denominador é x^2.

Passo 2. Divida cada termo por x^2.

\frac{5x + 2}{x^2 + 1} = \frac{\frac{5}{x} + \frac{2}{x^2}}{1 + \frac{1}{x^2}}

Passo 3. Calcule o limite. O numerador tende a 0 + 0 = 0 e o denominador a 1:

\lim_{x \to \infty} \frac{5x + 2}{x^2 + 1} = \frac{0}{1} = 0

Então y = 0 é uma assíntota horizontal. Repare que esse gráfico na verdade cruza y = 0 em x = -\frac{2}{5}. Isso é permitido: uma assíntota só descreve os extremos.

Exemplo resolvido 3: numerador de grau maior

Calcule \lim_{x \to \infty} \frac{x^3 - 1}{2x + 5}.

Passo 1. A maior potência do denominador é x.

Passo 2. Divida cada termo por x.

\frac{x^3 - 1}{2x + 5} = \frac{x^2 - \frac{1}{x}}{2 + \frac{5}{x}}

Passo 3. Calcule o limite. O denominador tende a 2, mas o numerador contém x^2, que cresce sem limite:

\lim_{x \to \infty} \frac{x^3 - 1}{2x + 5} = \infty

Não há assíntota horizontal. Para x grande, a função se comporta como \frac{x^3}{2x} = \frac{x^2}{2}, uma parábola.

As regras dos graus para funções racionais

Depois de alguns exemplos, você vai perceber que só os termos líderes importam. Para

f(x) = \frac{a x^n + \dots}{b x^m + \dots}

com n o grau do numerador e m o grau do denominador:

Graus \lim_{x \to \pm\infty} f(x) Assíntota horizontal
n < m (denominador maior) 0 y = 0
n = m (iguais) \frac{a}{b} y = \frac{a}{b}
n > m (numerador maior) \pm\infty nenhuma

Quando n > m, o sinal do infinito vem dos termos líderes: \frac{a x^n}{b x^m} = \frac{a}{b} x^{n-m}. Confira o sinal disso para x muito positivo ou muito negativo.

Dica: se n = m + 1, o gráfico tem uma assíntota oblíqua. A divisão de polinômios do numerador pelo denominador dá a reta.

Raízes quadradas: por que os dois extremos podem diferir

Funções racionais sempre têm a mesma assíntota horizontal nos dois extremos. Raízes quadradas podem quebrar essa simetria, porque

\sqrt{x^2} = |x|

que é igual a x quando x > 0, mas a -x quando x < 0.

Exemplo resolvido 4: uma raiz no numerador

Calcule \lim_{x \to \infty} e \lim_{x \to -\infty} de f(x) = \frac{\sqrt{4x^2 + 1}}{x + 3}.

Passo 1. Tire x^2 de dentro da raiz.

\sqrt{4x^2 + 1} = \sqrt{x^2\left(4 + \frac{1}{x^2}\right)} = |x|\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}

Passo 2. Quando x \to \infty, |x| = x. Divida numerador e denominador por x:

\frac{x\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}}{x + 3} = \frac{\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}}{1 + \frac{3}{x}} \to \frac{\sqrt{4}}{1} = 2

Passo 3. Quando x \to -\infty, |x| = -x. Agora a mesma divisão traz um sinal de menos a mais:

\frac{-x\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}}{x + 3} = \frac{-\sqrt{4 + \frac{1}{x^2}}}{1 + \frac{3}{x}} \to -2

Passo 4. Indique as assíntotas. y = 2 à direita e y = -2 à esquerda. (Há também uma assíntota vertical em x = -3, onde o denominador é 0.)

Gráfico de y = √(4x² + 1)/(x + 3) com assíntotas horizontais y = 2 à direita e y = −2 à esquerda
Como \sqrt{x^2} = |x|, o limite é 2 quando x \to \infty, mas -2 quando x \to -\infty. A reta vertical tracejada é a assíntota x = -3.

Infinito menos infinito: use o conjugado

Alguns limites no infinito nem são frações. A diferença de dois termos que crescem dá a forma \infty - \infty, que é indeterminada: a resposta depende de qual termo cresce mais rápido, e por quanto.

Exemplo resolvido 5: uma diferença com raiz

Calcule \lim_{x \to \infty} \left(\sqrt{x^2 + x} - x\right).

Passo 1. Identifique a forma. Tanto \sqrt{x^2 + x} quanto x crescem sem limite, então isso é \infty - \infty. Ainda não dá para concluir nada.

Passo 2. Multiplique pelo conjugado sobre ele mesmo.

\left(\sqrt{x^2 + x} - x\right) \cdot \frac{\sqrt{x^2 + x} + x}{\sqrt{x^2 + x} + x} = \frac{(x^2 + x) - x^2}{\sqrt{x^2 + x} + x} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + x} + x}

Passo 3. Divida numerador e denominador por x. Para x > 0, \frac{\sqrt{x^2 + x}}{x} = \sqrt{1 + \frac{1}{x}}, então

\frac{x}{\sqrt{x^2 + x} + x} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x}} + 1}

Passo 4. Calcule o limite.

\lim_{x \to \infty} \left(\sqrt{x^2 + x} - x\right) = \frac{1}{\sqrt{1} + 1} = \frac{1}{2}

Então os dois termos não se cancelam até 0. A raiz fica sempre cerca de \frac{1}{2} à frente de x.

Limites no infinito versus limites infinitos

Essas duas expressões soam parecidas, mas descrevem coisas diferentes, e confundi-las é comum.

  • Um limite no infinito tem x \to \pm\infty. Descreve o comportamento nos extremos e dá assíntotas horizontais. Exemplo: \lim_{x \to \infty} \frac{1}{x} = 0.
  • Um limite infinito tem a saída indo para \pm\infty quando x se aproxima de um número finito. Dá assíntotas verticais. Exemplo: \lim_{x \to 0^+} \frac{1}{x} = \infty.

Uma mesma função pode ter os dois, como mostra o exemplo resolvido 4: assíntotas horizontais y = \pm 2 e uma assíntota vertical em x = -3.

Outras funções que você deve conhecer

Nem todo limite no infinito envolve uma fração de polinômios. Estes aparecem o tempo todo:

Limite Valor Por quê
\lim_{x \to \infty} e^{-x} 0 e^{-x} = \frac{1}{e^x} e e^x cresce sem limite
\lim_{x \to -\infty} e^{x} 0 O mesmo fato visto pela esquerda
\lim_{x \to \infty} \ln x \infty Devagar, mas sem limite
\lim_{x \to \infty} \arctan x \frac{\pi}{2} Assíntota horizontal y = \frac{\pi}{2}
\lim_{x \to -\infty} \arctan x -\frac{\pi}{2} Assíntota horizontal y = -\frac{\pi}{2}
\lim_{x \to \infty} \frac{\sin x}{x} 0 Confronto: -\frac{1}{x} \le \frac{\sin x}{x} \le \frac{1}{x}
\lim_{x \to \infty} \sin x não existe Oscila para sempre

Também ajuda conhecer a hierarquia de crescimento para x grande: logaritmos crescem mais devagar que qualquer potência positiva de x, e potências crescem mais devagar que exponenciais. Então \frac{\ln x}{x} \to 0 e \frac{x^{10}}{e^x} \to 0. Você pode provar isso com a regra de L'Hôpital.

Erros comuns com limites no infinito

  1. Dividir pela potência errada. Divida pela maior potência do denominador. Dividir por algo menor deixa um termo que ainda cresce, e o limite continua escondido.
  2. Tratar \frac{\infty}{\infty} como 1. É indeterminado. \frac{x^2}{x} e \frac{x}{x^2} são ambos \frac{\infty}{\infty}, mas têm limites \infty e 0.
  3. Tratar \infty - \infty como 0. O exemplo resolvido 5 mostra que a resposta pode ser qualquer número, naquele caso \frac{1}{2}.
  4. Esquecer que \sqrt{x^2} = |x|. Essa é a fonte clássica de um sinal errado quando x \to -\infty.
  5. Acreditar que gráficos nunca cruzam assíntotas. Assíntotas verticais não podem ser cruzadas, mas as horizontais muitas vezes são.

Pratique a leitura do comportamento nos extremos

As regras dos graus levam um minuto para aprender e algumas dezenas de problemas para você confiar nelas. Na lição interativa abaixo, você vai prever o comportamento nos extremos, encontrar assíntotas horizontais e receber feedback imediato que aponta exatamente qual potência ou sinal você deixou passar. Quando isso ficar automático, as questões de esboço de gráficos e de continuidade também ficam muito mais fáceis.

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Limites no infinito

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Perguntas frequentes

O que significa um limite no infinito?

Ele descreve o valor do qual f(x) se aproxima quando x fica cada vez maior (ou cada vez mais negativo). Se as saídas se acomodam perto de um número L, escrevemos \lim_{x \to \infty} f(x) = L, e o gráfico se achata em direção à reta y = L.

Como encontrar a assíntota horizontal de uma função racional?

Compare o grau do numerador com o grau do denominador. Se o denominador tiver o maior grau, a assíntota é y = 0. Se os graus forem iguais, ela é y = \frac{a}{b}, onde a e b são os coeficientes líderes. Se o numerador tiver o maior grau, não há assíntota horizontal.

Um gráfico pode cruzar sua assíntota horizontal?

Sim. Uma assíntota horizontal só descreve o comportamento bem à esquerda ou bem à direita. No meio do gráfico a curva pode cruzá-la, às vezes muitas vezes. Por exemplo, \frac{5x+2}{x^2+1} cruza y = 0 em x = -\frac{2}{5}.

Infinito menos infinito é igual a zero?

Não. \infty - \infty é uma forma indeterminada, ou seja, a resposta depende da rapidez com que cada parte cresce. Reescreva a expressão, por exemplo multiplicando pelo conjugado, antes de calcular o limite.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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