Enunciado

Encontre o limite. Use a Regra de l’Hôspital quando apropriado. Se houver um método mais elementar, considere utilizá-lo. Se a Regra de l’Hôspital não se aplicar, explique o porquê.

lim x → ∞ ⁡ x e - x  

Passo 1

Aobaaa meus fii, cêis tão baunzinho, bora lá?

Vamos explicar melhor a propriedade da potência dos logaritmos, para podermos aplicar na expressão a seguir:

lim x → ∞ ⁡ x e - x  

A propriedade da potência dos logaritmos nos diz que, para qualquer número real positivo (   x �� ) e qualquer número real (   a   ) , o logaritmo de (   x   ) elevado à potência (   a   ) na mesma base é igual a (   a   ) vezes o logaritmo de (   x   ) .

Matematicamente, se temos (   y   =   x a ) , então

log b ⁡ ( y ) = a ⋅ log b ⁡ ( x )

Isso significa que podemos "tirar" o expoente (   a   ) da expressão (   x a ) e multiplicá-lo pelo logaritmo de (   x   ) na mesma base.

Essa propriedade é útil em muitas situações, especialmente quando precisamos simplificar expressões ou resolver equações envolvendo potências e logaritmos.

No contexto da questão, aplicamos essa propriedade para simplificar a função x e - x   ao tomar o logaritmo natural de ambos os lados.

Essa simplificação nos permite transformar em um problema mais fácil de resolver, que envolve um limite de uma expressão mais simples.

Passo 2

Primeiramente, vamos verificar se a Regra de l’Hôspital é apropriada.

Analisando o limite dado

lim x → ∞ ⁡ x e - x  

vemos que temos uma situação com potência.

Quando isso acontece, podemos reescrever o limite da seguinte forma:

lim x → a ⁡ f ( x ) g ( x )  

Utilizando as informações do enunciado, podemos chamar

f x = x

g x = e - x = 1 e x

Para que a Regra de l’Hôspital seja apropriada, devemos obter uma forma indeterminada do tipo 0 0 , ∞ 0 ou 1 ∞ quando x → a .

Na nossa questão, quando x → ∞ , nós temos que

f x = x → ∞

g x = 1 e x → 0

Logo, nós obtemos a forma ∞ 0 , comprovando que a Regra de l’Hôspital é aplicável.

Passo 3

Agora vamos encontrar este limite.

Como já sabemos que a Regra de l’Hôspital é aplicável, vamos utilizá-la para resolver este limite que vai ser sucesso!

Neste método temos que

lim x → a ⁡ f x g ( x ) = lim x → a ⁡ f ' x g ' ( x )

O limite dado pelo enunciado não apresenta esta forma, porém podemos reescreve-lo de forma que atenda a este requisito.

Pode parecer complicado, mas ao fazer pequenas manipulações algébricas, conseguimos facilitar muito nosso problema.

Vamos dizer que

y = x e - x

Passo 4

Como temos um caso com potência, aplicar o logarítimo em ambos os lados costuma ser uma boa ideia.

Assim, obtemos

ln ⁡ y = ln ⁡ x e - x = e - x ln ⁡ x = ln ⁡ x e x

Vamos chamar f x = ln ⁡ x e g x = e x . As derivadas dessas funções são

f ' x = 1 x

g ' x = e x

Substituindo esses valores, obtemos

lim x → ∞ ⁡ ln ⁡ y = lim x → ∞ ⁡ ln ⁡ x e x = lim x → ∞ ⁡ 1 x e x = 0

Ainda não acabamos por aqui!

Até agora nós calculamos o limite de ln ⁡ y mas na verdade queremos o limite de y .

Passo 5

Sabemos que

y = e ln ⁡ y

Logo, temos que

y = e ln ⁡ x e x

Substituindo esse valor no limite dado pelo enunciado, temos que

lim x → ∞ ⁡ x e - x   = lim x → ∞ ⁡ y  

lim x → ∞ ⁡ e ln ⁡ x e x = lim x → ∞ ⁡ e 0 = 1

Nem foi tão dificil ein ?!

Essa sim é a resposta que estávamos procurando.

Resposta

lim x → ∞ ⁡ x e - x   = 1

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