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Límites y continuidad
Problema
2020 · Extraordinaria · Suplente
1
Examen

Sabiendo que el siguiente límite es finito, calcula aa y el valor del límite (lnln denota la función logaritmo neperiano):

lim⁡x→0xex−ln⁡(1+x)−(a+1)xx2\lim_{x \to 0} \frac{xe^x - \ln(1 + x) - (a + 1)x}{x^2}
LímitesParámetrosL'Hôpital+1

Denotamos el límite como LL. Primero, evaluamos el numerador y el denominador en x=0x=0.

lim⁡x→0(xex−ln⁡(1+x)−(a+1)x)=0⋅e0−ln⁡(1+0)−(a+1)⋅0=0−0−0=0\lim_{x \to 0} (xe^x - \ln(1 + x) - (a + 1)x) = 0 \cdot e^0 - \ln(1 + 0) - (a + 1) \cdot 0 = 0 - 0 - 0 = 0
lim⁡x→0x2=0\lim_{x \to 0} x^2 = 0

Dado que tenemos una forma indeterminada 00\frac{0}{0}, aplicamos la Regla de L'Hôpital.

L=lim⁡x→0ddx(xex−ln⁡(1+x)−(a+1)x)ddx(x2)L = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{d}{dx}(xe^x - \ln(1 + x) - (a + 1)x)}{\frac{d}{dx}(x^2)}

Calculamos las derivadas del numerador y del denominador:

ddx(xex−ln⁡(1+x)−(a+1)x)=(1⋅ex+x⋅ex)−11+x−(a+1)⋅1=ex(1+x)−11+x−(a+1)\frac{d}{dx}(xe^x - \ln(1 + x) - (a + 1)x) = (1 \cdot e^x + x \cdot e^x) - \frac{1}{1 + x} - (a + 1) \cdot 1 = e^x(1 + x) - \frac{1}{1 + x} - (a + 1)
ddx(x2)=2x\frac{d}{dx}(x^2) = 2x

El límite se convierte en:

L=lim⁡x→0ex(1+x)−11+x−(a+1)2xL = \lim_{x \to 0} \frac{e^x(1 + x) - \frac{1}{1 + x} - (a + 1)}{2x}

Para que este límite sea finito, el numerador debe ser 00 cuando x→0x \to 0, ya que el denominador tiende a 00.

lim⁡x→0(ex(1+x)−11+x−(a+1))=e0(1+0)−11+0−(a+1)=1⋅1−1−(a+1)=1−1−a−1=−a−1\lim_{x \to 0} (e^x(1 + x) - \frac{1}{1 + x} - (a + 1)) = e^0(1 + 0) - \frac{1}{1 + 0} - (a + 1) = 1 \cdot 1 - 1 - (a + 1) = 1 - 1 - a - 1 = -a - 1

Igualando el resultado a 00 para encontrar aa:

−a−1=0  ⟹  a=−1-a - 1 = 0 \implies a = -1

Ahora sustituimos a=−1a = -1 en el límite y aplicamos la Regla de L'Hôpital por segunda vez, ya que volveremos a tener una forma indeterminada 00\frac{0}{0}.

L=lim⁡x→0ex(1+x)−11+x−(−1+1)2x=lim⁡x→0ex(1+x)−(1+x)−12xL = \lim_{x \to 0} \frac{e^x(1 + x) - \frac{1}{1 + x} - (-1 + 1)}{2x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x(1 + x) - (1 + x)^{-1}}{2x}

Derivamos nuevamente el numerador y el denominador:

ddx(ex(1+x)−(1+x)−1)=(ex(1+x)+ex⋅1)−(−(1+x)−2⋅1)=ex(x+2)+(1+x)−2\frac{d}{dx}(e^x(1 + x) - (1 + x)^{-1}) = (e^x(1 + x) + e^x \cdot 1) - (-(1 + x)^{-2} \cdot 1) = e^x(x + 2) + (1 + x)^{-2}
ddx(2x)=2\frac{d}{dx}(2x) = 2

El límite final es:

L=lim⁡x→0ex(x+2)+(1+x)−22L = \lim_{x \to 0} \frac{e^x(x + 2) + (1 + x)^{-2}}{2}

Evaluamos el límite en x=0x=0:

L=e0(0+2)+(1+0)−22=1⋅2+12=2+12=32L = \frac{e^0(0 + 2) + (1 + 0)^{-2}}{2} = \frac{1 \cdot 2 + 1}{2} = \frac{2 + 1}{2} = \frac{3}{2}
a) El valor de aa es −1-1.b) El valor del límite es 32\frac{3}{2}.