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Limites e Continuidade

Cálculo AB do AP · Topic 1 · ⁨Tópico 1⁩

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16:16

Limites & Continuidade

Aqui está um enigma. O velocímetro de um carro marca sessenta quilômetros por hora. Mas o que significa velocidade em um único instante? Velocidade é distância dividida pelo tempo. No entanto, em…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas⁩

1.1

Introducing Calculus: Can Change Occur at an Instant? · ⁨Introduzindo Cálculo: A Mudança Pode Ocorrer em um Instante?⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (CHA-1): Calculus allows us to generalize knowledge about motion to diverse problems involving change.

Learning Objective CHA-1.A: Interpret the rate of change at an instant in terms of average rates of change over intervals containing that instant.

  • CHA-1.A.1 Calculus uses limits to understand and model dynamic change.
  • CHA-1.A.2 Because an average rate of change divides the change in one variable by the change in another, the average rate of change is undefined at a point where the change in the independent variable would be zero.
  • CHA-1.A.3 The limit concept allows us to define instantaneous rate of change in terms of average rates of change.
Português

Compreensão Duradoura (CHA-1): O cálculo nos permite generalizar o conhecimento sobre movimento para problemas diversos envolvendo mudança.

Objetivo de Aprendizagem CHA-1.A: Interpretar a taxa de mudança instantânea em termos de taxas médias de mudança sobre intervalos que contêm esse instante.

  • CHA-1.A.1 O cálculo usa limites para compreender e modelar mudança dinâmica.
  • CHA-1.A.2 Como uma taxa média de mudança divide a mudança em uma variável pela mudança em outra, a taxa média de mudança é indefinida em um ponto onde a mudança na variável independente seria zero.
  • CHA-1.A.3 O conceito de limite nos permite definir a taxa de mudança instantânea em termos de taxas médias de mudança.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Calculus is the mathematics of change 变化 and of accumulation 累积. It answers two big questions: how fast is something changing right now, and how much has piled up so far? Unit 1 builds the one tool both questions rest on – the limit 极限.

Start with a puzzle. A car's speedometer reads $60$ km/h. What does that mean at a single instant 瞬间? Speed is distance over time. But at one instant no time passes and no distance is covered, so the fraction looks like $\tfrac{0}{0}$ – undefined.

  • The average rate of change 平均变化率 uses a whole interval 区间: the change in one quantity divided by the change in another. It divides by zero, and so is undefined, when the change in the input would be zero.
  • The instantaneous rate of change 瞬时变化率 is what we want at a point. It is the value the average rate approaches 趋近 as the interval shrinks toward zero length.

The clever move is not to plug in zero (undefined), but to watch what the average rate approaches as the interval gets smaller and smaller. That approaching value is a limit. So calculus lets us describe change at an instant – as a limit of average rates over ever-shorter intervals. This one idea powers the derivative 导数 (Unit 2) and, run in reverse, the integral 积分 (Unit 6). Everything else in this unit defines limits carefully and computes them reliably.

Português

O cálculo é a matemática da mudança 变化 e da acumulação 累积. Ele responde a duas grandes perguntas: quão rápido algo está mudando agora, e quanto se acumulou até agora? A Unidade 1 constrói a única ferramenta na qual ambas as perguntas se baseiam – o limite 极限.

Comece com um enigma. O velocímetro de um carro marca $60$ km/h. O que isso significa em um único instante 瞬间? Velocidade é distância sobre tempo. Mas em um único instante nenhum tempo passa e nenhuma distância é coberta, então a fração parece ser $\tfrac{0}{0}$ – indefinido.

  • A taxa média de variação 平均变化率 usa um intervalo inteiro: a mudança em uma quantidade dividida pela mudança em outra. Divide-se por zero, tornando-se indefinida quando a mudança na entrada seria zero.
  • A taxa instantânea de variação 瞬时变化率 é o que queremos em um ponto. É o valor que a taxa média aproxima-se 趋近 conforme o intervalo diminui até comprimento zero.

A jogada inteligente não é inserir zero (indefinido), mas observar o que a taxa média aproxima-se conforme o intervalo fica menor e menor. Esse valor de aproximação é um limite. Assim, o cálculo nos permite descrever a mudança em um instante – como um limite de taxas médias sobre intervalos cada vez mais curtos. Essa única ideia impulsiona a derivada 导数 (Unidade 2) e, executada ao contrário, a integral 积分 (Unidade 6). Tudo o resto nesta unidade define limites cuidadosamente e os calcula de forma confiável.

Explore · ⁨Explorar⁩

Explore a taxa de mudança em um instante

y = ax³ + bx² + cx + d

Deslize o ponto ao longo da curva. A linha tangente é o limite de taxas médias cada vez menores — sua inclinação é a taxa de mudança instantânea $\frac{dy}{dx}$ naquele ponto.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
limit/ˈlɪmɪt/ 极限 jí xiàn
at a single instant/ætə ˈsɪŋɡl ˈɪnstənt/ 瞬间 shùn jiān
average rate of change/ˈævrɪdʒ reɪt ɒv tʃeɪndʒ/ 平均变化率 píng jūn biàn huà lǜ
integral/ˈɪntɪɡrəl/ 积分 jī fēn
arbitrarily/ˌɑːbɪˈtrerɪli/ 任意地 rèn yì dì
sufficiently/səˈfɪʃəntli/ 足够 zú gòu
behavior/bɪˈheɪvjə/ 行为 xíng wéi
graphically/ˈɡræfɪkli/ 用图象 yòng tú xiàng
numerically/njuːˈmerɪkli/ 用数值 yòng shù zhí
analytically/ˌænəˈlɪtɪkli/ 用解析式 yòng jiě xī shì
left-hand limit/left hænd ˈlɪmɪt/ 左极限 zuǒ jí xiàn
right-hand limit/raɪt hænd ˈlɪmɪt/ 右极限 yòu jí xiàn
one-sided limits/wʌn ˈsaɪdɪd ˈlɪmɪts/ 单侧极限 dān cè jí xiàn
open circle/ˈəʊpən ˈsɜːkl/ 空心圆 kōng xīn yuán
1.2

Defining Limits and Using Limit Notation · ⁨Definindo Limites e Usando Notação de Limite⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.A: Represent limits analytically using correct notation.

  • LIM-1.A.1 Given a function $f$, the limit of $f(x)$ as $x$ approaches $c$ is a real number $R$ if $f(x)$ can be made arbitrarily close to $R$ by taking $x$ sufficiently close to $c$ (but not equal to $c$). If the limit exists and is a real number, then the common notation is $\lim_{x \to c} f(x) = R$.
    • Exclusion statement: The epsilon-delta definition of a limit is not assessed on the AP Calculus AB or BC Exam. However, teachers may include this topic in the course if time permits.

Learning Objective LIM-1.B: Interpret limits expressed in analytic notation.

  • LIM-1.B.1 A limit can be expressed in multiple ways, including graphically, numerically, and analytically.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.A: Representar analiticamente limites usando notação correta.

  • LIM-1.A.1 Dada uma função $f$, o limite de $f(x)$ quando $x$ se aproxima de $c$ é um número real $R$ se $f(x)$ puder ser feito arbitrariamente próximo de $R$ tomando-se $x$ suficientemente próximo de $c$ (mas não igual a $c$). Se o limite existir e for um número real, a notação comum é $\lim_{x \to c} f(x) = R$.
    • Declaração de exclusão: A definição epsilon-delta de um limite não é cobrada na prova AP Calculus AB ou BC. No entanto, os professores podem incluir este tópico no curso se houver tempo disponível.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.B: Interpretar limites expressos em notação analítica.

  • LIM-1.B.1 Um limite pode ser expresso de várias maneiras, incluindo graficamente, numericamente e analiticamente.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Given a function $f$, the limit of $f(x)$ as $x$ approaches $c$ is a real number $R$ if $f(x)$ can be made arbitrarily 任意地 close to $R$ by taking $x$ sufficiently 足够 close to $c$ – but not equal to $c$. We write

$$\lim_{x \to c} f(x) = R$$
and read it: "the limit of $f(x)$, as $x$ approaches $c$, equals $R$."

The last words are the heart of a limit: it describes the behavior 行为 of $f$ near $c$, not the value at $c$. The function may be undefined at $c$, or defined but equal to something else – the limit does not care.

A limit can be shown in three ways: graphically 用图象, numerically 用数值 (a table), and analytically 用解析式 (algebra). Learning to move between these representations is a core skill.

(Note: the epsilon-delta definition of a limit is not tested on the AP Exam, so this handout does not use it.)

Português
Uma curva de ponte suave: limites descrevem o valor que um gráfico se aproxima conforme damos zoom
Uma curva de ponte suave: limites descrevem o valor que um gráfico se aproxima conforme damos zoom

Dada uma função $f$, o limite de $f(x)$ quando $x$ se aproxima de $c$ é um número real $R$ se $f(x)$ puder ser tornado arbitrariamente 任意地 próximo de $R$ tomando $x$ suficientemente 足够 próximo de $c$ – mas não igual a $c$. Escrevemos

$$\lim_{x \to c} f(x) = R$$
e lemos: "o limite de $f(x)$, quando $x$ se aproxima de $c$, é igual a $R$."

As últimas palavras são o cerne de um limite: elas descrevem o comportamento 行为 de $f$ perto de $c$, não o valor em $c$. A função pode estar indefinida em $c$, ou definida mas igual a outra coisa – o limite não se importa.

Um limite pode ser mostrado de três maneiras: graficamente 用图象, numericamente 用数值 (uma tabela) e analiticamente 用解析式 (álgebra). Aprender a transitar entre essas representações é uma habilidade central.

(Nota: a definição epsilon-delta de um limite não é testada no Exame AP, portanto este material não a utiliza.)

1.3

Estimating Limit Values from Graphs · ⁨Estimando Valores de Limites a partir de Gráficos⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.C: Estimate limits of functions.

  • LIM-1.C.1 The concept of a limit includes one sided limits.
  • LIM-1.C.2 Graphical information about a function can be used to estimate limits.
  • LIM-1.C.3 Because of issues of scale, graphical representations of functions may miss important function behavior.
  • LIM-1.C.4 A limit might not exist for some functions at particular values of $x$. Some ways that the limit might not exist are if the function is unbounded, if the function is oscillating near this value, or if the limit from the left does not equal the limit from the right.
    • Illustrative examples for LIM-1.C.4:
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x^2} = \infty$
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{|x|}{x}$ does not exist.
      • $\lim_{x \to 0} \sin\left(\dfrac{1}{x}\right)$ does not exist.
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x}$ does not exist.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.C: Estimar limites de funções.

  • LIM-1.C.1 O conceito de limite inclui limites laterais.
  • LIM-1.C.2 Informações gráficas sobre uma função podem ser usadas para estimar limites.
  • LIM-1.C.3 Devido a questões de escala, representações gráficas de funções podem omitir comportamentos importantes da função.
  • LIM-1.C.4 Um limite pode não existir para algumas funções em valores específicos de $x$. Algumas maneiras pelas quais o limite pode não existir são se a função for ilimitada, se a função estiver oscilando perto desse valor, ou se o limite pela esquerda não for igual ao limite pela direita.
    • Exemplos ilustrativos para LIM-1.C.4:
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x^2} = \infty$
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{|x|}{x}$ não existe.
      • $\lim_{x \to 0} \sin\left(\dfrac{1}{x}\right)$ não existe.
      • $\lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x}$ não existe.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A graph is often the fastest way to read a limit. To find $\displaystyle \lim_{x \to c} f(x)$, run your finger along the curve toward $x = c$ from each side and ask: what height is the curve heading for?

  • Trace from the left (inputs smaller than $c$): this gives the left-hand limit 左极限, $\displaystyle \lim_{x \to c^-} f(x)$.
  • Trace from the right (inputs larger than $c$): this gives the right-hand limit 右极限, $\displaystyle \lim_{x \to c^+} f(x)$.
  • These are the one-sided limits 单侧极限. If both head to the same height $R$, then the two-sided limit exists and $\displaystyle \lim_{x \to c} f(x) = R$.

Crucially, ignore the point itself. Graphs mark the difference between the limit and the value:

  • An open circle 空心圆 marks a height the curve approaches but does not reach – a "hole" 空洞.
  • A closed circle 实心圆 marks the actual value $f(c)$.

So a curve may approach $R = 3$ from both sides (limit is $3$) while a filled dot sits at height $5$ (value $f(c) = 5$). The limit is $3$; the two need not match.

A limit does not exist (often written DNE) when the two sides disagree (a jump 跳跃), when the function is unbounded 无界 (grows without limit), or when it oscillates 振荡 forever near $c$. For example:

$$\lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} = \infty, \qquad \lim_{x \to 0} \frac{|x|}{x}\ \text{DNE}, \qquad \lim_{x \to 0} \sin\!\left(\frac{1}{x}\right)\ \text{DNE}.$$

Watch the scale 比例 of a graph: a zoomed-out picture can hide important behavior near a point, so confirm with algebra when you can.

Português

Um gráfico é frequentemente a maneira mais rápida de ler um limite. Para encontrar $\displaystyle \lim_{x \to c} f(x)$, passe o dedo ao longo da curva em direção a $x = c$ de cada lado e pergunte: para que altura a curva está indo?

  • Rastreie da esquerda (entradas menores que $c$): isso dá o limite lateral esquerdo 左极限, $\displaystyle \lim_{x \to c^-} f(x)$.
  • Rastreie da direita (entradas maiores que $c$): isso dá o limite lateral direito 右极限, $\displaystyle \lim_{x \to c^+} f(x)$.
  • Estes são os limites laterais 单侧极限. Se ambos apontarem para a mesma altura $R$, então o limite bilateral existe e $\displaystyle \lim_{x \to c} f(x) = R$.

Crucialmente, ignore o próprio ponto. Os gráficos marcam a diferença entre o limite e o valor:

  • Um círculo aberto 空心圆 marca uma altura que a curva aproxima-se mas não alcança – um "buraco" 空洞.
  • Um círculo fechado 实心圆 marca o valor real $f(c)$.

Então uma curva pode aproximar-se de $R = 3$ de ambos os lados (limite é $3$) enquanto um ponto preenchido fica na altura $5$ (valor $f(c) = 5$). O limite é $3$; os dois não precisam coincidir.

Um limite existe em x=2 mesmo que o valor da função f(2) seja diferente
O círculo aberto é a altura que a curva se aproxima (o limite); o ponto preenchido é o valor real $f(2)$ – eles não precisam concordar.

Um limite não existe (frequentemente escrito NEX) quando os dois lados discordam (um salto 跳跃), quando a função é ilimitada 无界 (cresce sem limite) ou quando oscila 振荡 para sempre perto de $c$. Por exemplo:

$$\lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} = \infty, \qquad \lim_{x \to 0} \frac{|x|}{x}\ \text{DNE}, \qquad \lim_{x \to 0} \sin\!\left(\frac{1}{x}\right)\ \text{DNE}.$$

Observe a escala 比例 de um gráfico: uma imagem com zoom out pode esconder comportamento importante perto de um ponto, então confirme com álgebra quando possível.

Explore · ⁨Explorar⁩

Leia um limite no gráfico

y = ax² + bx + c

O limite quando $x\to c$ é a altura para a qual a curva se dirige de ambos os lados — trata-se de para onde a função está indo, não seu valor em $c$. Siga a curva em direção a um $x$ e leia o $y$ que ela se aproxima.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
hole/həʊl/ 空洞 kōng dòng
closed circle/kləʊzd ˈsɜːkl/ 实心圆 shí xīn yuán
jump/dʒʌmp/ 跳跃 tiào yuè
unbounded/ʌnˈbaʊndɪd/ 无界 wú jiè
oscillates/ˈɒsɪleɪts/ 振荡 zhèn dàng
scale/skeɪl/ 比例 bǐ lì
table/ˈteɪbl/ 表格 biǎo gé
limit theorems/ˈlɪmɪt ˈθɪərəmz/ 极限定理 jí xiàn dìng lǐ
Composite/ˈkɒmpəzɪt/ 复合函数 fù hé hán shù
direct substitution/daɪˈrekt ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 直接代入 zhí jiē dài rù
indeterminate form/ˌɪndɪˈtɜːmɪnət fɔːm/ 未定式 wèi dìng shì
equivalent form/ɪˈkwɪvələnt fɔːm/ 等价形式 děng jià xíng shì
Factor and cancel/ˈfæktə ænd ˈkænsl/ 因式分解并约分 yīn shì fēn jiě bìng yuē fēn
rational function/ˈræʃənl ˈfʌŋkʃn/ 有理函数 yǒu lǐ hán shù
conjugate/ˈkɒndʒuːɡeɪt/ 共轭 gòng è
1.4

Estimating Limit Values from Tables · ⁨Estimando Valores de Limites a partir de Tabelas⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.C: Estimate limits of functions.

  • LIM-1.C.5 Numerical information can be used to estimate limits.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.C: Estimar limites de funções.

  • LIM-1.C.5 Informações numéricas podem ser usadas para estimar limites.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

When you have data or a formula but no picture, a table 表格 of values estimates a limit numerically. Choose inputs that creep toward $c$ from both sides and watch the outputs.

For example, to estimate $\displaystyle \lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2}$ (which is $\tfrac{0}{0}$ at $x=2$):

$x$ $1.9$ $1.99$ $1.999$ $\to 2 \leftarrow$ $2.001$ $2.01$ $2.1$
$f(x)$ $3.9$ $3.99$ $3.999$ ? $4.001$ $4.01$ $4.1$

Both sides march toward $4$, so we estimate the limit is $4$. A table only suggests a value – it is a numerical estimate, not a proof.

Português

Quando você tem dados ou uma fórmula mas não tem imagem, uma tabela 表格 de valores estima um limite numericamente. Escolha entradas que se aproximem sorrateiramente de $c$ de ambos os lados e observe as saídas.

Por exemplo, para estimar $\displaystyle \lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2}$ (que é $\tfrac{0}{0}$ em $x=2$):

$x$ $1.9$ $1.99$ $1.999$ $\to 2 \leftarrow$ $2.001$ $2.01$ $2.1$
$f(x)$ $3.9$ $3.99$ $3.999$ ? $4.001$ $4.01$ $4.1$

Ambos os lados marcham em direção a $4$, então estimamos que o limite é $4$. Uma tabela apenas sugere um valor – é uma estimativa numérica, não uma prova.

1.5

Determining Limits Using Algebraic Properties of Limits · ⁨Determinando Limites Usando Propriedades Algébricas de Limites⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.D: Determine the limits of functions using limit theorems.

  • LIM-1.D.1 One-sided limits can be determined analytically or graphically.
  • LIM-1.D.2 Limits of sums, differences, products, quotients, and composite functions can be found using limit theorems.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.D: Determinar os limites de funções usando teoremas de limite.

  • LIM-1.D.1 Limites laterais podem ser determinados analiticamente ou graficamente.
  • LIM-1.D.2 Limites de somas, diferenças, produtos, quocientes e funções compostas podem ser encontrados usando teoremas de limite.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Most limits are found analytically using limit theorems 极限定理. If $\lim_{x\to c} f(x)$ and $\lim_{x\to c} g(x)$ both exist, the limit of a combination is the same combination of the limits:

  • Sum / difference: $\displaystyle \lim_{x\to c}\big[f(x)\pm g(x)\big] = \lim_{x\to c}f(x) \pm \lim_{x\to c}g(x)$
  • Product: $\displaystyle \lim_{x\to c}\big[f(x)\,g(x)\big] = \lim_{x\to c}f(x)\cdot\lim_{x\to c}g(x)$
  • Quotient: $\displaystyle \lim_{x\to c}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\lim_{x\to c}f(x)}{\lim_{x\to c}g(x)}$, provided the bottom limit is not $0$.
  • Composite 复合函数: if $g$ is continuous at $\lim_{x\to c} f(x)$, then $\displaystyle \lim_{x\to c} g\big(f(x)\big) = g\!\left(\lim_{x\to c} f(x)\right)$.

The practical rule: for a function built from polynomials, roots, and the like, first try direct substitution 直接代入 – put $x = c$ in. If you get a real number, that is the limit. One-sided limits obey the same theorems, read from one direction only.

Português

A maioria dos limites é encontrada analiticamente usando teoremas de limite 极限定理. Se $\lim_{x\to c} f(x)$ e $\lim_{x\to c} g(x)$ ambos existem, o limite de uma combinação é a mesma combinação dos limites:

  • Soma / diferença: $\displaystyle \lim_{x\to c}\big[f(x)\pm g(x)\big] = \lim_{x\to c}f(x) \pm \lim_{x\to c}g(x)$
  • Produto: $\displaystyle \lim_{x\to c}\big[f(x)\,g(x)\big] = \lim_{x\to c}f(x)\cdot\lim_{x\to c}g(x)$
  • Quociente: $\displaystyle \lim_{x\to c}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\lim_{x\to c}f(x)}{\lim_{x\to c}g(x)}$, desde que o limite inferior não seja $0$.
  • Composto 复合函数: se $g$ é contínuo em $\lim_{x\to c} f(x)$, então $\displaystyle \lim_{x\to c} g\big(f(x)\big) = g\!\left(\lim_{x\to c} f(x)\right)$.

A regra prática: para uma função construída a partir de polinômios, raízes e semelhantes, tente primeiro a substituição direta 直接代入 – insira $x = c$. Se você obter um número real, esse é o limite. Os limites laterais obedecem aos mesmos teoremas, lidos apenas em uma direção.

1.6

Determining Limits Using Algebraic Manipulation · ⁨Determinando Limites Usando Manipulação Algébrica⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.E: Determine the limits of functions using equivalent expressions for the function or the squeeze theorem.

  • LIM-1.E.1 It may be necessary or helpful to rearrange expressions into equivalent forms before evaluating limits.
    • Illustrative examples for LIM-1.E.1:
      • Factoring and dividing common factors of rational functions
      • Multiplying by an expression involving the conjugate of a sum or difference in order to simplify functions involving radicals
      • Using alternate forms of trigonometric functions
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.E: Determinar os limites de funções usando expressões equivalentes para a função ou o teorema do encaixe (teorema do sanduíche).

  • LIM-1.E.1 Pode ser necessário ou útil rearranjar expressões em formas equivalentes antes de avaliar limites.
    • Exemplos ilustrativos para LIM-1.E.1:
      • Fatoração e divisão de fatores comuns de funções racionais
      • Multiplicação por uma expressão envolvendo o conjugado de uma soma ou diferença para simplificar funções envolvendo radicais
      • Uso de formas alternativas de funções trigonométricas

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Direct substitution sometimes gives the indeterminate form 未定式 $\tfrac{0}{0}$. This does not mean the limit fails – it means you must rewrite the function into an equivalent form 等价形式 that removes the trouble, then substitute. Three standard moves:

  • Factor and cancel 因式分解并约分 a rational function 有理函数. Example: $\displaystyle \lim_{x\to 2}\frac{x^2-4}{x-2} = \lim_{x\to 2}\frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = \lim_{x\to 2}(x+2) = 4$.
  • Multiply by the conjugate 共轭 to simplify a radical 根式. Example: $\displaystyle \lim_{x\to 0}\frac{\sqrt{x+1}-1}{x} = \lim_{x\to 0}\frac{x}{x\big(\sqrt{x+1}+1\big)} = \frac{1}{2}$.
  • Use alternate forms of trigonometric functions (identities) to simplify.

The cancelled factor is why the original graph had a hole: the two functions agree everywhere except at $x=c$, so they share the same limit there.

Português

A substituição direta às vezes resulta na forma indeterminada 未定式 $\tfrac{0}{0}$. Isso não significa que o limite falha – significa que você deve reescrever a função em uma forma equivalente 等价形式 que remova o problema, e então fazer a substituição. Três movimentos padrão:

  • Fatore e cancele 因式分解并约分 uma função racional 有理函数. Exemplo: $\displaystyle \lim_{x\to 2}\frac{x^2-4}{x-2} = \lim_{x\to 2}\frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = \lim_{x\to 2}(x+2) = 4$.
  • Multiplique pelo conjugado 共轭 para simplificar um radical 根式. Exemplo: $\displaystyle \lim_{x\to 0}\frac{\sqrt{x+1}-1}{x} = \lim_{x\to 0}\frac{x}{x\big(\sqrt{x+1}+1\big)} = \frac{1}{2}$.
  • Use formas alternativas de funções trigonométricas (identidades) para simplificar.

O fator cancelado é por isso que o gráfico original tinha um buraco: as duas funções concordam em todos os lugares exceto em $x=c$, portanto, elas compartilham o mesmo limite lá.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
radical/ˈrædɪkl/ 根式 gēn shì
1.7

Selecting Procedures for Determining Limits · ⁨Selecionando Procedimentos para Determinar Limites⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

This topic is intended to focus on the skill of selecting an appropriate procedure for determining limits. Students should be given opportunities to practice when and how to apply all learning objectives relating to determining limits.

Português

Este tópico tem como foco a habilidade de selecionar um procedimento apropriado para determinar limites. Os alunos devem ter oportunidades de praticar quando e como aplicar todos os objetivos de aprendizagem relacionados à determinação de limites.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

This is a skill topic, not new content: choose the right tool for the limit in front of you.

  1. Try direct substitution first. A real answer means you are done.
  2. Getting $\tfrac{0}{0}$? Rewrite – factor and cancel, or use the conjugate, or a trig identity – then substitute.
  3. A non-zero number over $0$ (like $\tfrac{5}{0}$)? The limit is infinite or DNE – check the sign from each side (see vertical asymptotes below).
  4. As $x\to\pm\infty$? Compare the dominant 主导 terms (see limits at infinity).
  5. Trapped between two functions? The squeeze theorem may apply.
Português

Este é um tópico de habilidade, não novo conteúdo: escolha a ferramenta certa para o limite à sua frente.

  1. Tente a substituição direta primeiro. Uma resposta real significa que você terminou.
  2. Obtendo $\tfrac{0}{0}$? Reescreva – fatore e cancele, ou use o conjugado, ou uma identidade trigonométrica – e depois substitua.
  3. Um número não-zero sobre $0$ (como $\tfrac{5}{0}$)? O limite é infinito ou não existe (DNE) – verifique o sinal de cada lado (veja assíntotas verticais abaixo).
  4. Quando $x\to\pm\infty$? Compare os termos dominantes 主导 (veja limites no infinito).
  5. Preso entre duas funções? O teorema do confronto pode ser aplicado.
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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
dominant/ˈdɒmɪnənt/ 主导 zhǔ dǎo
1.8

Determining Limits Using the Squeeze Theorem · ⁨Determinando Limites Usando o Teorema do Confronto⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-1): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about limits.

Learning Objective LIM-1.E: Determine the limits of functions using equivalent expressions for the function or the squeeze theorem.

  • LIM-1.E.2 The limit of a function may be found by using the squeeze theorem.
    • Illustrative examples for LIM-1.E.2: The squeeze theorem can be used to show $\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x}{x} = 1$ and $\lim_{x \to 0} \dfrac{1 - \cos x}{x} = 0$.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-1): O raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre limites.

Objetivo de Aprendizagem LIM-1.E: Determinar os limites de funções usando expressões equivalentes para a função ou o teorema do encaixe (teorema do sanduíche).

  • LIM-1.E.2 O limite de uma função pode ser encontrado usando o teorema do encaixe (teorema do sanduíche).
    • Exemplos ilustrativos para LIM-1.E.2: O teorema do encaixe pode ser usado para mostrar $\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x}{x} = 1$ e $\lim_{x \to 0} \dfrac{1 - \cos x}{x} = 0$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

The squeeze theorem 夹逼定理 (also called the sandwich theorem) finds a limit by trapping the function between two others. If $g(x) \le f(x) \le h(x)$ near $c$, and

$$\lim_{x\to c} g(x) = \lim_{x\to c} h(x) = L,$$
then $f$ is squeezed to the same place: $\displaystyle \lim_{x\to c} f(x) = L$.

The two famous results proved this way, both used throughout calculus, are:

$$\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1 \qquad\text{and}\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1-\cos x}{x} = 0.$$

Português

O teorema do confronto 夹逼定理 (também chamado de teorema do sanduíche) encontra um limite aprisionando a função entre outras duas. Se $g(x) \le f(x) \le h(x)$ perto de $c$, e

$$\lim_{x\to c} g(x) = \lim_{x\to c} h(x) = L,$$
então $f$ é comprimido até o mesmo lugar: $\displaystyle \lim_{x\to c} f(x) = L$.

Os dois resultados famosos provados dessa forma, ambos usados extensivamente no cálculo, são:

$$\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1 \qquad\text{and}\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1-\cos x}{x} = 0.$$

O teorema do encaixe: se g e h ambas aproximam-se de L em c, a função aprisionada f é forçada a L
A wiggly $f$ está aprisionada entre $g$ e $h$. Como ambos os limites se encontram em $L$, $f$ não tem para onde ir senão $L$.
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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
squeeze theorem/skwiːz ˈθɪərəm/ 夹逼定理 jiā bī dìng lǐ
discontinuous/dɪskənˈtɪnjuːəs/ 间断 jiàn duàn
Removable discontinuity/rɪˈmuːvəbl dɪskɒntɪˈnjuːɪti/ 可去间断 kě qù jiàn duàn
Jump discontinuity/dʒʌmp dɪskɒntɪˈnjuːɪti/ 跳跃间断 tiào yuè jiàn duàn
Infinite discontinuity/ˈɪnfɪnət dɪskɒntɪˈnjuːɪti/ 无穷间断 wú qióng jiàn duàn
1.9

Connecting Multiple Representations of Limits · ⁨Conectando Múltiplas Representações de Limites⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

This topic is intended to focus on connecting representations. Students should be given opportunities to practice when and how to apply all learning objectives relating to limits and translating mathematical information from a single representation or across multiple representations.

Português

Este tópico tem como foco conectar representações. Os alunos devem ter oportunidades de praticar quando e como aplicar todos os objetivos de aprendizagem relacionados a limites e traduzir informações matemáticas de uma única representação ou através de múltiplas representações.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Another skill topic: the same limit lives in a graph, a table, and an algebraic form, and you should be able to translate between them. A graph shows the shape and any holes or jumps; a table gives numerical evidence; algebra gives an exact value and a reason. Strong answers use one representation to confirm another.

Português

Outro tópico de habilidade: o mesmo limite vive em um gráfico, uma tabela e uma forma algébrica, e você deve ser capaz de traduzir entre eles. Um gráfico mostra a forma e quaisquer buracos ou saltos; uma tabela fornece evidências numéricas; a álgebra dá um valor exato e uma razão. Respostas fortes usam uma representação para confirmar outra.

1.10

Exploring Types of Discontinuities · ⁨Explorando Tipos de Descontinuidades⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.A: Justify conclusions about continuity at a point using the definition.

  • LIM-2.A.1 Types of discontinuities include removable discontinuities, jump discontinuities, and discontinuities due to vertical asymptotes.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.A: Justificar conclusões sobre continuidade em um ponto usando a definição.

  • LIM-2.A.1 Os tipos de descontinuidades incluem descontinuidades removíveis, descontinuidades de salto e descontinuidades devido a assíntotas verticais.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A function is discontinuous 间断 at $c$ when its graph "breaks" there. There are three types:

  • Removable discontinuity 可去间断 – a single hole. The two-sided limit exists, but the point is missing or misplaced.
  • Jump discontinuity 跳跃间断 – the two one-sided limits exist but disagree, so the curve jumps.
  • Infinite discontinuity 无穷间断 – the function blows up to $\pm\infty$ at a vertical asymptote 垂直渐近线.
Português

Uma função é descontínua 间断 at $c$ quando seu gráfico "quebra" ali. Existem três tipos:

  • Descontinuidade removível 可去间断 – um único buraco. O limite lateral existe, mas o ponto está ausente ou mal posicionado.
  • Descontinuidade de salto 跳跃间断 – os dois limites laterais existem, mas discordam, então a curva salta.
  • Descontinuidade infinita 无穷间断 – a função explode para $\pm\infty$ em uma assíntota vertical 垂直渐近线.
Os três tipos de descontinuidade: buraco removível, salto e infinito
Três formas pelas quais um gráfico pode quebrar: um buraco removível, um salto e uma descontinuidade infinita (assíntota).
1.11

Defining Continuity at a Point · ⁨Definindo Continuidade em um Ponto⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.A: Justify conclusions about continuity at a point using the definition.

  • LIM-2.A.2 A function $f$ is continuous at $x = c$ provided that $f(c)$ exists, $\lim_{x \to c} f(x)$ exists, and $\lim_{x \to c} f(x) = f(c)$.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.A: Justificar conclusões sobre continuidade em um ponto usando a definição.

  • LIM-2.A.2 Uma função $f$ é contínua em $x = c$ desde que $f(c)$ exista, $\lim_{x \to c} f(x)$ exista e $\lim_{x \to c} f(x) = f(c)$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Continuity is defined by a three-part test. A function $f$ is continuous 连续 at $x=c$ exactly when all three hold:

$$\boxed{\;f(c)\text{ exists}\quad\text{and}\quad \lim_{x\to c} f(x)\text{ exists}\quad\text{and}\quad \lim_{x\to c} f(x) = f(c)\;}$$

In words: the point is there, the limit is there, and the two agree. If any one fails, $f$ is discontinuous at $c$. This test is the backbone of nearly every continuity question, so learn it as a checklist.

Português

A continuidade é definida por um teste de três partes. Uma função $f$ é contínua 连续 at $x=c$ exatamente quando as três condições são atendidas:

$$\boxed{\;f(c)\text{ exists}\quad\text{and}\quad \lim_{x\to c} f(x)\text{ exists}\quad\text{and}\quad \lim_{x\to c} f(x) = f(c)\;}$$

Em palavras: o ponto está lá, o limite está lá, e os dois concordam. Se qualquer uma falhar, $f$ é descontínua em $c$. Este teste é a espinha dorsal de quase todas as questões de continuidade, então aprenda-o como uma lista de verificação.

1.12

Confirming Continuity over an Interval · ⁨Confirmando Continuidade sobre um Intervalo⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.B: Determine intervals over which a function is continuous.

  • LIM-2.B.1 A function is continuous on an interval if the function is continuous at each point in the interval.
  • LIM-2.B.2 Polynomial, rational, power, exponential, logarithmic, and trigonometric functions are continuous on all points in their domains.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.B: Determinar intervalos sobre os quais uma função é contínua.

  • LIM-2.B.1 Uma função é contínua em um intervalo se a função for contínua em cada ponto do intervalo.
  • LIM-2.B.2 Funções polinomiais, racionais, potências, exponenciais, logarítmicas e trigonométricas são contínuas em todos os pontos de seus domínios.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A function is continuous on an interval 在区间上连续 if it is continuous at every point of that interval. You rarely check point by point, because whole families are continuous on their domains:

Polynomial, rational, power, exponential 指数, logarithmic 对数, and trigonometric 三角 functions are continuous at every point of their domains.

So a rational function is continuous everywhere except where its denominator is zero; $\ln x$ is continuous for $x>0$; and so on. Knowing this lets you declare continuity quickly and correctly.

Português

Uma função é contínua em um intervalo 在区间上连续 se for contínua em cada ponto desse intervalo. Você raramente verifica ponto por ponto, porque famílias inteiras são contínuas em seus domínios:

Funções polinomiais, racionais, potências, exponenciais 指数, logarítmicas 对数 e trigonométricas 三角 são contínuas em cada ponto de seus domínios.

Assim, uma função racional é contínua em toda parte exceto onde seu denominador é zero; $\ln x$ é contínua para $x>0$; e assim por diante. Saber isso permite declarar a continuidade rapidamente e com precisão.

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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
interval/ˈɪntəvl/ 区间 qū jiān
instantaneous rate of change/ˌɪnstənˈteɪnɪəs reɪt ɒv tʃeɪndʒ/ 瞬时变化率 shùn shí biàn huà lǜ
approaches/əˈprəʊtʃɪz/ 趋近 qū jìn
derivative/dɪˈrɪvətɪv/ 导数 dǎo shù
1.13

Removing Discontinuities · ⁨Removendo Descontinuidades⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.C: Determine values of $x$ or solve for parameters that make discontinuous functions continuous, if possible.

  • LIM-2.C.1 If the limit of a function exists at a discontinuity in its graph, then it is possible to remove the discontinuity by defining or redefining the value of the function at that point, so it equals the value of the limit of the function as $x$ approaches that point.
  • LIM-2.C.2 In order for a piecewise-defined function to be continuous at a boundary to the partition of its domain, the value of the expression defining the function on one side of the boundary must equal the value of the expression defining the other side of the boundary, as well as the value of the function at the boundary.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.C: Determinar valores de $x$ ou resolver parâmetros que tornem funções descontínuas contínuas, se possível.

  • LIM-2.C.1 Se o limite de uma função existe em uma descontinuidade em seu gráfico, é possível remover a descontinuidade definindo ou redefinindo o valor da função nesse ponto, de modo que ele seja igual ao valor do limite da função quando $x$ se aproxima desse ponto.
  • LIM-2.C.2 Para que uma função definida por partes seja contínua na fronteira da partição de seu domínio, o valor da expressão que define a função de um lado da fronteira deve ser igual ao valor da expressão que define o outro lado da fronteira, bem como ao valor da função no ponto de fronteira.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

If the limit exists at a hole, the discontinuity is removable: redefine the function at that one point to equal the limit, and the graph is repaired. Formally, set the missing value to $\displaystyle \lim_{x\to c} f(x)$.

For a piecewise-defined function 分段函数, continuity at a boundary $x=c$ needs the two pieces to meet: the left piece's value, the right piece's value, and $f(c)$ must all be equal. This is a common exam setup – you solve for a parameter 参数 (an unknown constant) that makes the pieces match:

$$\lim_{x\to c^-} f(x) = \lim_{x\to c^+} f(x) = f(c).$$

Português

Se o limite existe em um buraco, a descontinuidade é removível: redefina a função naquele único ponto para igualar o limite, e o gráfico será reparado. Formalmente, defina o valor ausente como $\displaystyle \lim_{x\to c} f(x)$.

Para uma função definida por partes 分段函数, a continuidade em uma fronteira $x=c$ exige que as duas partes se encontrem: o valor da peça à esquerda, o valor da peça à direita e $f(c)$ devem todos ser iguais. Esta é uma configuração comum de exame – você resolve para um parâmetro 参数 (uma constante desconhecida) que faz as partes combinarem:

$$\lim_{x\to c^-} f(x) = \lim_{x\to c^+} f(x) = f(c).$$

1.14

Connecting Infinite Limits and Vertical Asymptotes · ⁨Conectando Limites Infinitos e Assíntotas Verticais⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.D: Interpret the behavior of functions using limits involving infinity.

  • LIM-2.D.1 The concept of a limit can be extended to include infinite limits.
  • LIM-2.D.2 Asymptotic and unbounded behavior of functions can be described and explained using limits.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.D: Interpretar o comportamento de funções usando limites envolvendo infinito.

  • LIM-2.D.1 O conceito de limite pode ser estendido para incluir limites infinitos.
  • LIM-2.D.2 O comportamento assintótico e ilimitado de funções pode ser descrito e explicado usando limites.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

The idea of a limit extends to infinite limits 无穷极限. When a function grows without bound near $x=c$, we write $\lim_{x\to c} f(x) = \pm\infty$. This describes a vertical asymptote at $x=c$: the graph hugs the vertical line $x=c$ and shoots off toward $\pm\infty$.

This happens where a non-zero number is divided by something approaching $0$, such as at a zero of a denominator that does not cancel. Always check each side separately – the two sides can shoot opposite ways (one to $+\infty$, one to $-\infty$).

Português

A ideia de limite estende-se a limites infinitos 无穷极限. Quando uma função cresce sem limite próximo a $x=c$, escrevemos $\lim_{x\to c} f(x) = \pm\infty$. Isso descreve uma assíntota vertical em $x=c$: o gráfico abraça a linha vertical $x=c$ e dispara em direção a $\pm\infty$.

Isso ocorre onde um número não-zero é dividido por algo que se aproxima de $0$, como em um zero de um denominador que não se cancela. Sempre verifique cada lado separadamente – os dois lados podem disparar em direções opostas (uma para $+\infty$, uma para $-\infty$).

Um limite infinito em uma assíntota vertical x = c, onde os dois lados disparam para infinitos opostos
Perto de uma assíntota vertical, o gráfico abraça a linha $x=c$. Aqui o lado esquerdo cai para $-\infty$ e o lado direito sobe para $+\infty$, então o limite lateral não existe.
Explore · ⁨Explorar⁩

Explore limites infinitos e assíntotas verticais

y = a/(x − b) + c

Com $y=\dfrac{a}{x-b}+c$, observe a curva explodir para $\pm\infty$ perto de $x=b$. A assíntota vertical é a linha $x=b$ onde o limite infinito reside — os dois lados podem disparar em direções opostas.

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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
vertical asymptote/ˈvɜːtɪkl ˈæsɪmptəʊt/ 垂直渐近线 chuí zhí jiàn jìn xiàn
continuous/kənˈtɪnjuːəs/ 连续 lián xù
continuous on an interval/kənˈtɪnjuːəs ɒn ən ˈɪntəvl/ 在区间上连续 zài qū jiān shàng lián xù
exponential/ˌekspəˈnenʃl/ 指数 zhǐ shù
logarithmic/ˌlɒɡəˈrɪθmɪk/ 对数 duì shù
trigonometric/ˌtrɪɡənəʊˈmetrɪk/ 三角 sān jiǎo
piecewise-defined function/ˈpiːswaɪz dɪˈfaɪnd ˈfʌŋkʃn/ 分段函数 fēn duàn hán shù
parameter/pəˈræmɪtə/ 参数 cān shù
infinite limits/ˈɪnfɪnət ˈlɪmɪts/ 无穷极限 wú qióng jí xiàn
limits at infinity/ˈlɪmɪts æt ɪnˈfɪnɪti/ 无穷远处的极限 wú qióng yuǎn chù de jí xiàn
end behavior/end bɪˈheɪvjə/ 末端行为 mò duān xíng wéi
1.15

Connecting Limits at Infinity and Horizontal Asymptotes · ⁨Conectando Limites no Infinito e Assíntotas Horizontais⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (LIM-2): Reasoning with definitions, theorems, and properties can be used to justify claims about continuity.

Learning Objective LIM-2.D: Interpret the behavior of functions using limits involving infinity.

  • LIM-2.D.3 The concept of a limit can be extended to include limits at infinity.
  • LIM-2.D.4 Limits at infinity describe end behavior.
  • LIM-2.D.5 Relative magnitudes of functions and their rates of change can be compared using limits.
Português

Compreensão Duradoura (LIM-2): Raciocínio usando definições, teoremas e propriedades pode ser usado para justificar afirmações sobre continuidade.

Objetivo de Aprendizagem LIM-2.D: Interpretar o comportamento de funções usando limites envolvendo infinito.

  • LIM-2.D.3 O conceito de limite pode ser estendido para incluir limites no infinito.
  • LIM-2.D.4 Limites no infinito descrevem o comportamento final (end behavior).
  • LIM-2.D.5 As magnitudes relativas de funções e suas taxas de variação podem ser comparadas usando limites.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

We can also let the input grow: limits at infinity 无穷远处的极限 describe the end behavior 末端行为 of a function as $x\to\pm\infty$. If the outputs settle toward a finite value $L$, then $y=L$ is a horizontal asymptote 水平渐近线.

For a rational function, compare the degrees 次数 of the top and bottom:

  • top degree < bottom degree $\Rightarrow$ limit is $0$ (asymptote $y=0$);
  • top degree = bottom degree $\Rightarrow$ limit is the ratio of the leading coefficients 首项系数之比;
  • top degree > bottom degree $\Rightarrow$ the function is unbounded (no horizontal asymptote).

More generally, we compare the relative magnitudes 相对大小 (relative growth rates) of functions: far out, an exponential beats any polynomial, and a polynomial beats any logarithm. On the exam, "as $t\to\infty$, which quantity is larger/where does the rate settle?" is answered with a limit at infinity.

Português

Também podemos deixar a entrada crescer: limites no infinito 无穷远处的极限 descrevem o comportamento final 末端行为 de uma função conforme $x\to\pm\infty$. Se as saídas se estabilizam em direção a um valor finito $L$, então $y=L$ é uma assíntota horizontal 水平渐近线.

Um limite no infinito: conforme x cresce, as saídas se estabilizam em direção a uma assíntota horizontal y = L
Conforme $x\to+\infty$, a curva se achata em direção à linha $y=L$. A assíntota horizontal registra esse comportamento final.

Para uma função racional, compare os graus 次数 do numerador e do denominador:

  • grau superior < grau inferior $\Rightarrow$ o limite é $0$ (assíntota $y=0$);
  • grau superior = grau inferior $\Rightarrow$ o limite é a razão dos coeficientes líderes 首项系数之比;
  • grau superior > grau inferior $\Rightarrow$ a função é ilimitada (sem assíntota horizontal).

De modo mais geral, comparamos as magnitudes relativas 相对大小 (taxas de crescimento relativas) das funções: longe, uma exponencial supera qualquer polinômio, e um polinômio supera qualquer logaritmo. No exame, "conforme $t\to\infty$, qual quantidade é maior/onde a taxa se estabiliza?" é respondido com um limite no infinito.

Explore · ⁨Explorar⁩

Explore limites no infinito e assíntotas horizontais

y = a/(x − b) + c

Siga a curva bem longe para a direita e esquerda. À medida que $x\to\pm\infty$, as saídas se estabilizam em direção a $c$, então $y=c$ é uma assíntota horizontal — o valor finito do limite no infinito.

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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
horizontal asymptote/ˌhɒrɪˈzɒntl ˈæsɪmptəʊt/ 水平渐近线 shuǐ píng jiàn jìn xiàn
degrees/dɪˈɡriːz/ 次数 cì shù
ratio of the leading coefficients/ˈreɪʃɪəʊ ɒvðə ˈliːdɪŋ ˌkəʊɪˈfɪʃənts/ 首项系数之比 shǒu xiàng xì shù zhī bǐ
relative magnitudes/ˈrelətɪv ˈmæɡnɪtjuːdz/ 相对大小 xiāng duì dà xiǎo
Intermediate Value Theorem/ˌɪntəˈmiːdɪət ˈvæljuː ˈθɪərəm/ 介值定理 jiè zhí dìng lǐ
existence theorem/eɡˈzɪstəns ˈθɪərəm/ 存在性定理 cún zài xìng dìng lǐ
1.16

Working with the Intermediate Value Theorem (IVT) · ⁨Trabalhando com o Teorema do Valor Intermediário (IVT)⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Enduring Understanding (FUN-1): Existence theorems allow us to draw conclusions about a function's behavior on an interval without precisely locating that behavior.

Learning Objective FUN-1.A: Explain the behavior of a function on an interval using the Intermediate Value Theorem.

  • FUN-1.A.1 If $f$ is a continuous function on the closed interval $[a, b]$ and $d$ is a number between $f(a)$ and $f(b)$, then the Intermediate Value Theorem guarantees that there is at least one number $c$ between $a$ and $b$, such that $f(c) = d$.
Português

Compreensão Duradoura (FUN-1): Teoremas de existência permitem tirar conclusões sobre o comportamento de uma função em um intervalo sem localizar precisamente esse comportamento.

Objetivo de Aprendizagem FUN-1.A: Explicar o comportamento de uma função em um intervalo usando o Teorema do Valor Intermediário.

  • FUN-1.A.1 Se $f$ é uma função contínua no intervalo fechado $[a, b]$ e $d$ é um número entre $f(a)$ e $f(b)$, então o Teorema do Valor Intermediário garante que existe pelo menos um número $c$ entre $a$ e $b$, tal que $f(c) = d$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

The Intermediate Value Theorem 介值定理 is an existence theorem 存在性定理 – it guarantees a value exists without telling you where:

If $f$ is continuous on the closed interval $[a,b]$, and $d$ is any number between $f(a)$ and $f(b)$, then there is at least one number $c$ in $(a,b)$ with $f(c)=d$.

An unbroken curve cannot skip a height between its endpoints – it must pass through every one.

Exam skill – how to justify with the IVT. These questions appear almost every year (for example, "Must there be a value $c$ with $R(c)=155$?" or "Is there a time when $r'(t)=-6$?"). A full-credit justification has three moves:

  1. State continuity. Say the function is continuous on $[a,b]$ (often because it is differentiable, or given continuous).
  2. Show $d$ is trapped. Compute the two endpoint values and show the target $d$ lies between them, e.g. $f(a) < d < f(b)$.
  3. Conclude by name. "By the Intermediate Value Theorem, there is a $c$ in $(a,b)$ with $f(c)=d$."

Skipping the continuity statement, or not showing $d$ is between the endpoints, loses the point – the theorem requires both conditions.

Worked example. Evaluate $\lim_{x\to 3}\dfrac{x^2-9}{x-3}$. Direct substitution gives $\tfrac{0}{0}$ (indeterminate), so factor: $\dfrac{(x-3)(x+3)}{x-3}=x+3$ for $x\ne 3$. Then $\lim_{x\to 3}(x+3)=6$. The graph has a removable discontinuity (a hole) at $x=3$ — the limit exists even though the function is undefined there.

Português

O Teorema do Valor Intermediário 介值定理 é um teorema de existência 存在性定理 – ele garante que um valor existe sem dizer onde:

Sinais opostos de f(a) e f(b) aprisionam uma raiz entre a e b
Sinais opostos de f(a) e f(b) aprisionam uma raiz entre a e b

Se $f$ é contínua no intervalo fechado $[a,b]$, e $d$ é qualquer número entre $f(a)$ e $f(b)$, então existe pelo menos um número $c$ em $(a,b)$ tal que $f(c)=d$.

Uma curva ininterrupta não pode pular uma altura entre seus pontos finais – ela deve passar por todas elas.

O Teorema do Valor Intermediário: uma curva contínua toca todas as alturas entre f(a) e f(b)
Uma curva contínua de $(a,f(a))$ a $(b,f(b))$ deve cruzar todas as alturas $d$ intermediárias pelo menos uma vez.

Habilidade de exame – como justificar com o IVT. Essas questões aparecem quase todo ano (por exemplo, "Deve haver um valor $c$ tal que $R(c)=155$?" ou "Existe um momento em que $r'(t)=-6$?"). Uma justificativa com nota máxima tem três movimentos:

  1. Declarar a continuidade. Diga que a função é contínua em $[a,b]$ (freqüentemente porque é diferenciável, ou dada como contínua).
  2. Mostrar que $d$ está aprisionada. Calcule os valores nos dois pontos finais e mostre que o alvo $d$ está entre eles, p.ex. $f(a) < d < f(b)$.
  3. Conclua pelo nome. "Pelo Teorema do Valor Intermediário, existe um $c$ em $(a,b)$ com $f(c)=d$."

Pular a declaração de continuidade, ou não mostrar que $d$ está entre os pontos finais, faz perder o ponto – o teorema exige ambas as condições.

Exemplo resolvido. Avalie $\lim_{x\to 3}\dfrac{x^2-9}{x-3}$. A substituição direta resulta em $\tfrac{0}{0}$ (indeterminado), então fatorize: $\dfrac{(x-3)(x+3)}{x-3}=x+3$ para $x\ne 3$. Então $\lim_{x\to 3}(x+3)=6$. O gráfico tem uma descontinuidade removível (um buraco) em $x=3$ — o limite existe embora a função esteja indefinida ali.

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Por que uma curva contínua não pode pular um valor

y = ax³ + bx² + cx + d

O Teorema do Valor Intermediário: uma função contínua em $[a,b]$ assume todo $y$ entre $f(a)$ e $f(b)$ em algum ponto dentro do intervalo. Uma curva ininterrupta não pode saltar sobre uma altura — ela deve passar por ela.

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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
change/tʃeɪndʒ/ 变化 biàn huà
accumulation/əˌkjuːmjʊˈleɪʃn/ 累积 lěi jī
1.16

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English
  • A limit describes what $f(x)$ approaches, which need not equal $f(a)$ — the two-sided limit exists only if both sides agree.
  • Try direct substitution first; for a $\tfrac00$ form, factor and cancel or rationalise before substituting.
  • A function is continuous at $a$ when the limit exists, $f(a)$ is defined, and they are equal.
  • Use the Intermediate Value Theorem to guarantee a root: a continuous function that changes sign on $[a,b]$ takes every value between.
  • Read horizontal asymptotes from end behaviour (limits at $\pm\infty$) and vertical asymptotes where the denominator (not the numerator) is zero.
Português
  • Um limite descreve o que $f(x)$ aproxima-se, o que não precisa ser igual a $f(a)$ — o limite lateral existe apenas se ambos os lados concordarem.
  • Tente a substituição direta primeiro; para uma forma de $\tfrac00$, fatore e cancele ou racionalize antes de substituir.
  • Uma função é contínua em $a$ quando o limite existe, $f(a)$ está definido e eles são iguais.
  • Use o Teorema do Valor Intermediário para garantir uma raiz: uma função contínua que muda de sinal em $[a,b]$ assume todos os valores entre.
  • Leia as assíntotas horizontais pelo comportamento final (limites em $\pm\infty$) e as assíntotas verticais onde o denominador (não o numerador) é zero.

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