Enunciado

Encontre o limite. Use a regra de L’Hospital quando for apropriado. Se existir um método mais elementar, use-o. Se a regra de L’Hospital não for aplicável, explique por quê.

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1

Passo 1

E aí, galerinha! 😁

Bom, essa questão pede pra gente usar a regra de L’Hospital para calcular o seguinte limite:

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1

E se existir um método mais elementar, devemos usá-lo. Se a regra de L’Hospital não for aplicável, devemos explicar o porquê.

Então vamos relembrar que regra é essas para que a gente possa usar.

A Regra de L'Hôpital é um teorema que ajuda a gente a calcular limites de formas indeterminadas.

A regra diz que, nesses casos, o limite da fração é igual ao limite da derivada do numerador dividida pelo limite da derivada do denominador, supondo funções deriváveis no intervalo de interesse.

Assim, se

lim x → a ⁡   f x g x = ∞ ∞

Ou se

lim x → a ⁡   f x g x = 0 0

Podemos fazer:

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

Agora vamos tentar calcular nosso limite.

Passo 2

Nosso limites é:

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1

E tentando calcular esse limite, teremos:

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1 = ∞ ∞ ∞

Opa!

Temos um limite indeterminado, porém ele não é do tipo L’Hospital.

Para que fosse, nosso limite deveria ter caído em uma indeterminação na forma 0/0 ou / .

Sendo assim, vamos tentar fazer algumas modificações algébrica em nossa função pra ver se conseguimos um limite na forma correta para usar o L’Hospital.

Passo 3

Antes de pensar no limite, vamos usar que a propriedade logaritma y = e ln ⁡ y :

y = 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1 = e ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1

E o expoente do ln pode cair pra frente dele multiplicando usando essa propriedade aqui:

ln ⁡ a b = b ln ⁡ a

Assim:

y = e 2 x + 1 ⋅ ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5

E nosso limite pode ser escrito com:

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1 = lim x → ∞ ⁡ e 2 x + 1 ⋅ ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5

E passando o limite para o expoente da exponencial, ficamos com:

e lim x → ∞ ⁡ 2 x + 1 ⋅ ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5

Desta forma, o limite que nos interessa é:

lim x → ∞ ⁡ 2 x + 1 ⋅ ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5

Passo 4

Vamos fazer a mudança de variável

t = 2 x + 1

Assim,

2 x = t - 1

e quando x → ∞ , t → ∞ . Desta forma,

lim x → ∞ ⁡ 2 x + 1 ⋅ ln ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 = lim t → ∞ ⁡ t ⋅ ln ⁡ t - 4 t + 4

Quando t → ∞ , t - 4 t + 4 → 1 , assim o limite é uma indeterminação do tipo ∞ ⋅ 0 . Podemos reescrevê-lo como

lim t → ∞ ⁡ t ⋅ ln ⁡ t - 4 t + 4 = lim t → ∞ ⁡ ln ⁡ t - 4 t + 4 1 / t

Agora temos uma indeterminação do tipo 0/0: podemos aplicar a regra de L’Hospital!!!

Passo 5

Lembrando que, como:

lim x → a ⁡   f x g x = 0 0

Podemos fazer:

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

Aplicando a regra em nossa função, devemos derivar as funções que estão no numerador e no denominador.

Vamos calcular as derivadas do numerador e denominador separadamente para evitar confusão.

Para o numerador:

ln ⁡ t - 4 t + 4 '

Usando a regra da cadeia e a regra do quociente, teremos:

ln ⁡ t - 4 t + 4 ' = 1 t - 4 t + 4 ⋅ t - 4 t + 4 '

ln ⁡ t - 4 t + 4 ' = = t + 4 t - 4 ⋅ 1 ⋅ t + 4 - 1 ⋅ t - 4 t + 4 2

ln ⁡ t - 4 t + 4 ' = 8 ( t + 4 ) ( t - 4 )

E para o denominador, teremos:

1 t ' = - 1 t 2

Assim, pela regra de L’Hospital nosso limite se transforma em:

lim t → ∞ ⁡ ln ⁡ t - 4 t + 4 1 t

Ajeitando um pouco melhor, ficamos com:

lim t → ∞ ⁡ 8 / t + 4 t - 4 - 1 t 2

Ou melhor:

lim t → ∞ ⁡ - 8 t 2 t 2 - 16

Mas fazendo a tendência de t ao infinito, ficamos com:

lim t → ∞ ⁡ - 8 t 2 t 2 - 16 = ∞ ∞

Opa, indeterminação novamente.

Passo 6

Podemos aplicar L’Hospital novamente, porém isso não é necessário.

Colocando t 2 em evidência:

lim t → ∞ ⁡ - 8 t 2 t 2 - 16

= lim t → ∞ ⁡ - 8 t 2 t 2 1 - 16 t 2

= lim t → ∞ ⁡ - 8 1 - 16 t 2 = - 8

Assim,

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1 = e - 8

Assim chegamos em nossa resposta.

Resposta

lim x → ∞ ⁡ 2 x - 3 2 x + 5 2 x + 1 = e - 8

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