MAT1051 · 3. hafta · Limits, Infinite Limits

Limitler ve sonsuz limitler

Limitin anlamı, tek taraflı limitler, 0/0 belirsizliğini çözme teknikleri, sin x / x, sıkıştırma teoremi ve dikey asimptotlar. Vizenin ilk sorusu neredeyse hep buradan.

limitone-sided limitleft-hand limitright-hand limitlimit lawsindeterminate formrationalizingsqueeze theoreminfinite limitvertical asymptoteepsilon-delta definition

Limit (limit), calculus’un temel kavramı. Türev bir limit, integral bir limit, süreklilik bir limitle tanımlanıyor. Sınavda limit soruları genelde ilk sayfada: hızlı puan için. Ama her biri küçük bir tuzak barındırıyor. Bu haftanın algoritması basit:

  1. Önce yerine koy. Sonlu bir sayı çıkarsa iş bitti.
  2. 00\tfrac00 çıkarsa cebirle sadeleştir: çarpanlara ayır, eşlenikle çarp ya da sin⁡xx\tfrac{\sin x}{x} kalıbını kur.
  3. c0\tfrac{c}{0} (c≠0c\ne0) çıkarsa cevap ±∞\pm\infty ya da “yok”. Tek taraflı işarete bak.
  4. Mutlak değer, parçalı fonksiyon ya da kök varsa sağ ve sol limiti ayrı hesapla.
  5. Salınan bir ifade varsa (sin⁡1x\sin\tfrac1x gibi) sıkıştırma teoremini kullan.

Limitin anlamı

lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x)=L

”xx, aa‘ya yeterince yaklaştığında f(x)f(x), LL‘ye istediğin kadar yakın olur” demek. Kritik nokta: f(a)f(a)‘nın değeri limiti etkilemez. f(a)f(a) tanımsız olabilir, başka bir sayı olabilir. Limit sadece aa‘nın çevresine bakar.

Örneğin f(x)=x2−1x−1f(x)=\dfrac{x^2-1}{x-1} fonksiyonu x=1x=1‘de tanımsız. Ama x=0.999x=0.999 için 1.9991.999, x=1.001x=1.001 için 2.0012.001. Limit 22.

Tek taraflı limitler (one-sided limits)

  • lim⁡x→a−f(x)\displaystyle\lim_{x\to a^-}f(x): xx, aa‘ya soldan (x<ax<a) yaklaşırken.
  • lim⁡x→a+f(x)\displaystyle\lim_{x\to a^+}f(x): sağdan (x>ax>a).

lim⁡x→af(x)=L  ⟺  lim⁡x→a−f(x)=lim⁡x→a+f(x)=L\lim_{x\to a}f(x)=L \iff \lim_{x\to a^-}f(x)=\lim_{x\to a^+}f(x)=L

Örnek 1. ∣x∣x\dfrac{|x|}{x} fonksiyonu x>0x>0 iken 11, x<0x<0 iken −1-1. Sağ limit 11, sol limit −1-1. lim⁡x→0\lim_{x\to0} yok (does not exist).

Örnek 1b (parçalı fonksiyon). f(x)={x2+1,x<13x−1,x≥1f(x)=\begin{cases}x^2+1, & x<1\\ 3x-1, & x\ge1\end{cases} için lim⁡x→1f(x)\lim_{x\to1}f(x).

Soldan x<1x<1 parçası kullanılır: 12+1=21^2+1=2. Sağdan x≥1x\ge1 parçası: 3−1=23-1=2. İki taraf eşit, limit 22. Birleşme noktasında hep böyle çalış: her yön için o yönün formülünü kullan.

Limitin olmadığı üç durum

  1. Sol ve sağ limit farklı (sıçrama): ∣x∣x\dfrac{|x|}{x}, x→0x\to0.
  2. Sınırsız büyüme: 1x\dfrac1x, x→0x\to0. Bir yanda +∞+\infty, diğer yanda −∞-\infty.
  3. Salınım (oscillation): sin⁡1x\sin\dfrac1x, x→0x\to0. x=1nπx=\tfrac{1}{n\pi} noktalarında değer 00, x=2(4n+1)πx=\tfrac{2}{(4n+1)\pi} noktalarında 11. Fonksiyon 00‘a yaklaşırken −1-1 ile 11 arasında sonsuz kez gidip gelir, tek bir sayıya yerleşmez.

Sayısal tablo yaparak limit tahmin etmek bu üçüncü durumda yanıltır. Hangi noktaları seçtiğine göre farklı sayılar görürsün. Tablo bir fikir verir, kanıt değildir.

Limit kuralları (limit laws)

lim⁡f=L\lim f=L, lim⁡g=M\lim g=M ise: toplamın limiti L+ML+M, çarpımın LMLM, bölümün L/ML/M (M≠0M\ne0 ise), lim⁡[f]n=Ln\lim[f]^n=L^n, lim⁡fn=Ln\lim\sqrt[n]{f}=\sqrt[n]{L}. Sonuç: polinom ve rasyonel fonksiyonlarda (payda sıfır olmadıkça) yerine koymak yeter.

Örnek 2. lim⁡x→2(x2+3x)=4+6=10\displaystyle\lim_{x\to2}(x^2+3x)=4+6=10.

Kuralların hepsi “limitler var ise” şartıyla çalışır. İki limitten biri yoksa toplam kuralını kullanamazsın; bu, toplamın limitinin olmadığı anlamına da gelmez. Örneğin lim⁡x→0sin⁡1x\lim_{x\to0}\sin\tfrac1x yok, lim⁡x→0(−sin⁡1x)\lim_{x\to0}\left(-\sin\tfrac1x\right) yok, ama toplamları her yerde 00 ve limiti 00.

Sınavda tipik akış şöyle:

yerine koy
 ├─ sayı çıktı            -> cevap
 ├─ c/0 (c ≠ 0)           -> ±inf ya da yok: sağ/sol işaret analizi
 └─ 0/0                   -> cebir:
      ├─ polinom/rasyonel -> çarpanlara ayır
      ├─ kök farkı        -> eşlenikle çarp
      ├─ sin, tan, cos    -> sin(u)/u kalıbı
      └─ salınım × 0      -> sıkıştırma

0/0 belirsizliğini çözmek

00\tfrac00 bir cevap değil, “daha çalış” işaretidir (indeterminate form). Üç ana teknik var.

1. Çarpanlara ayırma

Örnek 3. lim⁡x→−1x2+4x+3x+1=lim⁡x→−1(x+1)(x+3)x+1=lim⁡x→−1(x+3)=2\displaystyle\lim_{x\to-1}\frac{x^2+4x+3}{x+1}=\lim_{x\to-1}\frac{(x+1)(x+3)}{x+1}=\lim_{x\to-1}(x+3)=2.

Payda x→ax\to a iken sıfırsa ve pay da sıfırsa, ikisinde de (x−a)(x-a) çarpanı vardır. Onu bul ve sadeleştir.

2. Eşlenikle çarpma (rationalizing)

Kök içeren farklarda A−B\sqrt{A}-B ifadesini A+B\sqrt{A}+B ile çarp, (A)2−B2(\sqrt A)^2-B^2 elde et.

Örnek 4.

lim⁡x→0x+9−3x=lim⁡x→0(x+9)−9x(x+9+3)=lim⁡x→01x+9+3=16\lim_{x\to0}\frac{\sqrt{x+9}-3}{x}=\lim_{x\to0}\frac{(x+9)-9}{x(\sqrt{x+9}+3)}=\lim_{x\to0}\frac{1}{\sqrt{x+9}+3}=\frac16

3. Trigonometrik kalıp

Radyan cinsinden temel limit:

lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1

Buradan türeyenler: lim⁡x→0tan⁡xx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\tan x}{x}=1 ve lim⁡x→01−cos⁡xx=0\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x}=0.

Örnek 5. lim⁡x→0sin⁡4xx=lim⁡x→04⋅sin⁡4x4x=4\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin 4x}{x}=\lim_{x\to0}4\cdot\frac{\sin 4x}{4x}=4.

Kural: sinüsün içindeki ifade paydada da aynen bulunmalı. Değilse çarpıp bölerek oluştur. Kısa sonuç: sin⁡axbx→ab\dfrac{\sin ax}{bx}\to\dfrac{a}{b}.

Örnek 5b. lim⁡x→0sin⁡3xsin⁡5x\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin 3x}{\sin 5x}. Pay ve paydayı ayrı ayrı kalıba sok:

sin⁡3xsin⁡5x=sin⁡3x3x⋅3xsin⁡5x5x⋅5x=35⋅sin⁡3x3xsin⁡5x5x → 35⋅11=35\frac{\sin 3x}{\sin 5x}=\frac{\dfrac{\sin 3x}{3x}\cdot 3x}{\dfrac{\sin 5x}{5x}\cdot 5x}=\frac{3}{5}\cdot\frac{\dfrac{\sin 3x}{3x}}{\dfrac{\sin 5x}{5x}}\ \to\ \frac35\cdot\frac11=\frac35

tan⁡\tan içeren ifadelerde tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x} yaz; cos⁡x→1\cos x\to1 olduğu için tan⁡axbx→ab\dfrac{\tan ax}{bx}\to\dfrac ab de geçerli.

TUZAK · x→0x\to0 değilse kalıp çalışmaz. lim⁡x→πsin⁡xx=0π=0\displaystyle\lim_{x\to\pi}\frac{\sin x}{x}=\frac{0}{\pi}=0, 11 değil. Kalıp sadece sinüsün içi sıfıra giderken geçerli.

Sıkıştırma teoremi (Squeeze Theorem)

aa civarında g(x)≤f(x)≤h(x)g(x)\le f(x)\le h(x) ve lim⁡g=lim⁡h=L\lim g=\lim h=L ise lim⁡f=L\lim f=L.

En sık kullanım: sınırlı (bounded) bir ifade çarpı sıfıra giden bir ifade.

Örnek 6. lim⁡x→0x2cos⁡1x\displaystyle\lim_{x\to0}x^2\cos\frac1x.

cos⁡1x\cos\tfrac1x‘in limiti yok (sürekli salınır). Ama −1≤cos⁡1x≤1-1\le\cos\tfrac1x\le1. x2≥0x^2\ge0 ile çarp:

−x2≤x2cos⁡1x≤x2-x^2\le x^2\cos\frac1x\le x^2

İki uç 00‘a gidiyor, ortadaki de 00‘a gider.

TUZAK · limit kuralını yanlış yerde kullanmak. "lim⁡x2⋅lim⁡cos⁡1x=0⋅(?)\lim x^2\cdot\lim\cos\tfrac1x=0\cdot(\text{?})" yazamazsın; çarpım kuralı her iki limitin de var olmasını ister. Sıkıştırma kullan.

Sonsuz limitler ve dikey asimptotlar

x→ax\to a iken f(x)f(x) sınırsız büyüyorsa lim⁡f=+∞\lim f=+\infty yazılır. Bu limit “var” anlamına gelmez; davranışı tarif eder. x=ax=a doğrusu dikey asimptot (vertical asymptote) olur.

c0\tfrac{c}{0} (c≠0c\ne0) durumunda işareti belirlemek için paydanın işaretine bak:

Örnek 7. lim⁡x→2−x+1x−2\displaystyle\lim_{x\to2^-}\frac{x+1}{x-2}. Pay →3>0\to3>0. x<2x<2 iken x−2<0x-2<0. Sonuç 30−=−∞\tfrac{3}{0^-}=-\infty. Sağdan +∞+\infty.

Örnek 8. lim⁡x→31(x−3)2=+∞\displaystyle\lim_{x\to3}\frac{1}{(x-3)^2}=+\infty. Kare her iki yanda pozitif, iki taraflı limit +∞+\infty.

Dikey asimptot bulma algoritması (rasyonel fonksiyon):

1. Paydayı sıfır yapan x'leri bul.
2. Payı ve paydayı çarpanlara ayır, ortak çarpanları sadeleştir.
3. Sadeleşen nokta -> delik (removable), asimptot DEĞİL.
4. Sadeleştikten sonra paydayı hâlâ sıfır yapan nokta -> dikey asimptot.

Limitin kesin tanımı (epsilon-delta)

lim⁡x→af(x)=L\displaystyle\lim_{x\to a}f(x)=L demek: her ε>0\varepsilon>0 için öyle bir δ>0\delta>0 vardır ki 0<∣x−a∣<δ0<|x-a|<\delta olduğunda ∣f(x)−L∣<ε|f(x)-L|<\varepsilon olur.

ε\varepsilon “çıktıda ne kadar hata kabul ediyorum”, δ\delta “girdiyi ne kadar yakın tutmalıyım”. Doğrusal fonksiyonlarda hesap kısa:

Örnek 9. lim⁡x→1(3x+2)=5\displaystyle\lim_{x\to1}(3x+2)=5. ∣(3x+2)−5∣=3∣x−1∣|(3x+2)-5|=3|x-1|. Bunun ε\varepsilon‘dan küçük olması için ∣x−1∣<ε/3|x-1|<\varepsilon/3 yeter. δ=ε/3\delta=\varepsilon/3 seç.

Adams’ta bu tanım, “find δ\delta for ε=0.01\varepsilon=0.01” tipinde sayısal sorularla gelir. Fark ifadesini ∣x−a∣|x-a| çarpanı içerecek şekilde düzenle, katsayıya böl.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
00\tfrac00 çıktı, cevap 00 (ya da 11)00\tfrac00 belirsiz; sadeleştir
50\tfrac{5}{0} çıktı, cevap 00Sonsuz limit; tek taraflı işarete bak
f(a)f(a) tanımsız, limit de yokLimit f(a)f(a)‘ya bakmaz, çevreye bakar
sin⁡3xx→1\dfrac{\sin 3x}{x}\to1→3\to3; içteki 3x3x paydada da olmalı
lim⁡x→πsin⁡xx=1\lim_{x\to\pi}\dfrac{\sin x}{x}=1Kalıp yalnız x→0x\to0 için; burada 00
Sadeleşen nokta da dikey asimptotSadeleşen nokta delik
∣x−2∣\lvert x-2\rvert olan ifadede tek hesapx<2x<2 ve x>2x>2 için ayrı hesapla
lim⁡x2sin⁡1x=0⋅lim⁡sin⁡1x\lim x^2\sin\tfrac1x=0\cdot\lim\sin\tfrac1xİkinci limit yok; sıkıştırma kullan
Hesap makinesinde derece modusin⁡xx→1\tfrac{\sin x}{x}\to1 sadece radyanda

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Evaluate lim⁡x→3x2−9x2−5x+6\displaystyle\lim_{x\to 3}\frac{x^2-9}{x^2-5x+6}.

Cevabı göster
6

Yerine koyunca 00\tfrac{0}{0}. Çarpanlara ayır: (x−3)(x+3)(x−3)(x−2)=x+3x−2\dfrac{(x-3)(x+3)}{(x-3)(x-2)}=\dfrac{x+3}{x-2} (x≠3x\ne 3). Şimdi yerine koy: 61=6\dfrac{6}{1}=6.

Soru 2kolay

Evaluate lim⁡x→4x−2x−4\displaystyle\lim_{x\to 4}\frac{\sqrt{x}-2}{x-4}.

Cevabı göster
14\dfrac14

00\tfrac00 belirsizliği. x−4=(x−2)(x+2)x-4=(\sqrt x-2)(\sqrt x+2) olduğunu gör ya da eşlenikle çarp: x−2(x−2)(x+2)=1x+2\dfrac{\sqrt x-2}{(\sqrt x-2)(\sqrt x+2)}=\dfrac{1}{\sqrt x+2}. x=4x=4: 14\dfrac{1}{4}.

Soru 3kolay

Evaluate lim⁡x→0sin⁡5x3x\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin 5x}{3x}.

Cevabı göster
53\dfrac53

Paydada sinüsün içindeki ifadeyi oluştur: sin⁡5x3x=53⋅sin⁡5x5x\dfrac{\sin 5x}{3x}=\dfrac{5}{3}\cdot\dfrac{\sin 5x}{5x}. x→0x\to 0 iken 5x→05x\to 0, ve sin⁡5x5x→1\dfrac{\sin 5x}{5x}\to 1. Sonuç 53\dfrac53.

Soru 4orta

Evaluate lim⁡h→0(2+h)3−8h\displaystyle\lim_{h\to 0}\frac{(2+h)^3-8}{h}.

Cevabı göster
12

Aç: (2+h)3=8+12h+6h2+h3(2+h)^3=8+12h+6h^2+h^3. Pay 12h+6h2+h312h+6h^2+h^3, hh'ye böl: 12+6h+h212+6h+h^2. h→0h\to 0: 1212. (Bu, x3x^3'ün x=2x=2'deki türevi; 5. haftada tanıdık gelecek.)

Soru 5orta

Evaluate lim⁡x→01−cos⁡xx2\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\cos x}{x^2}.

Cevabı göster
12\dfrac12

Eşlenikle çarp: (1−cos⁡x)(1+cos⁡x)x2(1+cos⁡x)=sin⁡2xx2(1+cos⁡x)=(sin⁡xx)2⋅11+cos⁡x\dfrac{(1-\cos x)(1+\cos x)}{x^2(1+\cos x)}=\dfrac{\sin^2 x}{x^2(1+\cos x)}=\left(\dfrac{\sin x}{x}\right)^2\cdot\dfrac{1}{1+\cos x}. Limit: 12⋅12=121^2\cdot\dfrac{1}{2}=\dfrac12.

Soru 6orta

Find lim⁡x→2−∣x−2∣x2−4\displaystyle\lim_{x\to 2^-}\frac{|x-2|}{x^2-4} and lim⁡x→2+∣x−2∣x2−4\displaystyle\lim_{x\to 2^+}\frac{|x-2|}{x^2-4}. Does lim⁡x→2∣x−2∣x2−4\displaystyle\lim_{x\to 2}\frac{|x-2|}{x^2-4} exist?

Cevabı göster
−14-\tfrac14 and 14\tfrac14; the limit does not exist

x2−4=(x−2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2). Soldan (x<2x<2): ∣x−2∣=−(x−2)|x-2|=-(x-2), oran −1x+2→−14\dfrac{-1}{x+2}\to-\dfrac14. Sağdan (x>2x>2): ∣x−2∣=x−2|x-2|=x-2, oran 1x+2→14\dfrac{1}{x+2}\to\dfrac14. Tek taraflı limitler farklı, iki taraflı limit yok.

Soru 7kolay

Find lim⁡x→1+x+2x−1\displaystyle\lim_{x\to 1^+}\frac{x+2}{x-1} and lim⁡x→1−x+2x−1\displaystyle\lim_{x\to 1^-}\frac{x+2}{x-1}.

Cevabı göster
+∞+\infty and −∞-\infty

Pay x→1x\to1 iken 33'e gider (pozitif). Payda sıfıra gider. Sağdan x−1x-1 küçük pozitif: 30+=+∞\tfrac{3}{0^+}=+\infty. Soldan x−1x-1 küçük negatif: 30−=−∞\tfrac{3}{0^-}=-\infty. x=1x=1 dikey asimptot.

Soru 8orta

Find all vertical asymptotes of f(x)=x2−1x2+x−2f(x)=\dfrac{x^2-1}{x^2+x-2}.

Cevabı göster
x=−2x=-2 only (x=1x=1 is a removable hole)

f(x)=(x−1)(x+1)(x−1)(x+2)f(x)=\dfrac{(x-1)(x+1)}{(x-1)(x+2)}. Payda x=1x=1 ve x=−2x=-2'de sıfır. x=1x=1'de çarpan sadeleşir: lim⁡x→1x+1x+2=23\lim_{x\to1}\dfrac{x+1}{x+2}=\dfrac23, sonlu, bu bir delik. x=−2x=-2'de pay 3≠03\ne 0, payda sıfır: limit sonsuz, dikey asimptot. Cevap: yalnız x=−2x=-2.

Soru 9zor

Use the Squeeze Theorem to find lim⁡x→0+x esin⁡(π/x)\displaystyle\lim_{x\to 0^+}\sqrt{x}\,e^{\sin(\pi/x)}.

Cevabı göster
0

−1≤sin⁡(π/x)≤1-1\le\sin(\pi/x)\le 1 ve ete^t artan olduğu için e−1≤esin⁡(π/x)≤ee^{-1}\le e^{\sin(\pi/x)}\le e. x≥0\sqrt x\ge 0 ile çarp: xe≤x esin⁡(π/x)≤ex\dfrac{\sqrt x}{e}\le\sqrt{x}\,e^{\sin(\pi/x)}\le e\sqrt x. x→0+x\to0^+ iken iki sınır da 0'a gider. Sıkıştırma teoremine göre limit 00.

Soru 10orta

For lim⁡x→3(4x−5)=7\displaystyle\lim_{x\to 3}(4x-5)=7, find the largest δ>0\delta>0 such that ∣x−3∣<δ|x-3|<\delta guarantees ∣(4x−5)−7∣<0.01|(4x-5)-7|<0.01.

Cevabı göster
δ=0.0025\delta=0.0025

∣(4x−5)−7∣=∣4x−12∣=4∣x−3∣|(4x-5)-7|=|4x-12|=4|x-3|. 4∣x−3∣<0.014|x-3|<0.01 olması için ∣x−3∣<0.0025|x-3|<0.0025 yeter. Genel olarak δ=ε/4\delta=\varepsilon/4.

Soru 11zor

Evaluate lim⁡x→0xsin⁡x1−cos⁡x\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x\sin x}{1-\cos x}.

Cevabı göster
2

Eşlenikle çarp: xsin⁡x(1+cos⁡x)1−cos⁡2x=xsin⁡x(1+cos⁡x)sin⁡2x=xsin⁡x(1+cos⁡x)\dfrac{x\sin x(1+\cos x)}{1-\cos^2 x}=\dfrac{x\sin x(1+\cos x)}{\sin^2 x}=\dfrac{x}{\sin x}(1+\cos x). x→0x\to0: 1⋅2=21\cdot 2=2.

Soru 12zor

Find the constant aa for which lim⁡x→2x2+ax−6x−2\displaystyle\lim_{x\to 2}\frac{x^2+ax-6}{x-2} exists, and find the value of the limit.

Cevabı göster
a=1a=1, limit =5=5

Payda 00'a gidiyor. Limitin sonlu olması için pay da 00'a gitmeli (yoksa sabit0\tfrac{\text{sabit}}{0}, sonsuz). 4+2a−6=0⇒a=14+2a-6=0 \Rightarrow a=1. O zaman x2+x−6x−2=(x−2)(x+3)x−2=x+3→5\dfrac{x^2+x-6}{x-2}=\dfrac{(x-2)(x+3)}{x-2}=x+3\to 5.

Doğrulama: Tüm limitler node ile kontrol edildi (verify/MAT1051/03.mjs): fonksiyon noktanın iki yanında 1e-4 ile 1e-7 uzaklıkta hesaplandı; sonsuz limitlerde değerin büyüklüğü ve işareti, epsilon-delta sorusunda aralık taranarak.

Deftere not kartı

Önce YERİNE KOY. Sayı çıkarsa cevap o. 0/0 -> çarpanlara ayır / eşlenikle çarp / sin x / x kalıbı c/0 (c ≠ 0) -> sonsuz limit, tek taraflı işarete bak lim sin x / x = 1 lim tan x / x = 1 lim (1 - cos x)/x^2 = 1/2 (x -> 0, radyan) sin(ax)/(bx) -> a/b Limit var <=> sol limit = sağ limit |x - a| görürsen sağ ve sol ayrı hesapla Sıkıştırma: g <= f <= h, lim g = lim h = L ise lim f = L (x^2 sin(1/x) -> 0) Dikey asimptot x = a: payda 0, pay ≠ 0 (sadeleşiyorsa delik) ε-δ: |f(x) - L| < ε için |x - a| < δ; doğrusal fonksiyonda δ = ε/|eğim|