Teorema del emparedado

La función $x^2\sin (1/x)$ (en azul) atrapada entre las funciones $x^2$ (en verde) y $-x^2$ (en rojo).

En cálculo, el teorema del emparedadoPlantilla:Refn es un teorema usado en la determinación del límite de una función. Este teorema enuncia que si dos funciones tienden al mismo límite en un punto, cualquier otra función que pueda ser acotada entre las dos anteriores tendrá el mismo límite en el punto.

El teorema o criterio del sándwich es muy importante en demostraciones de cálculo y análisis matemático. Y es frecuentemente utilizado para encontrar el límite de una función a través de la comparación con otras dos funciones de límite conocido o fácilmente calculable. Fue utilizado por primera vez de forma geométrica por Arquímedes y Eudoxo en sus esfuerzos por calcular π, aunque la formulación moderna fue obra de Gauss.

Motivación

Uno de los usos más frecuentes del teorema del sándwich es en la resolución de límites indeterminados. En particular, permite afirmar que el límite

$\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\mathrm{sen}(kx)}{kx}=1$

Algunas indeterminaciones pueden resolverse despejando dicha expresión de la expresión general y aplicando propiedades del límite con el resto.

Este resultado es muy importante, pues permite, entre otras cosas, calcular las derivadas de las funciones trigonométricas en un punto.

Teorema

El teorema del encaje o de intercalación es expuesto formalmente como: Plantilla:Teorema

Las funciones g(x) y h(x) son llamadas cotas de f(x), o también funciones minorante y mayorante de f(x), respectivamente.

Corolario

Sean $f$ y $g$ dos funciones definidas en un mismo dominio, y $a$ un punto de acumulación en el referido dominio. Puede demostrarse el siguiente caso particular del teorema de intercalación.

Generalizaciones

El teorema aplica a funciones de varias variables, por ejemplo para funciones escalares de la forma

$f:D\to ℝ.$

con $D\subseteq {ℝ}^2$. Para un punto de acumulación $(a,b)\in D$, el teorema se enuncia de la siguiente manera:

Sean $f$, $g$ y $h$ funciones definidas en $D$ que satisfacen

• $g(x,y)\le f(x,y)\le h(x,y)$
• $\underset{(x,y)\to (a,b)}{\lim }g(x,y)=\underset{(x,y)\to (a,b)}{\lim }h(x,y)=L$

entonces

$\underset{(x,y)\to (a,b)}{\lim }f(x,y)=L$

El teorema puede ser extendido también a cualquier función con dominio en ${ℝ}^n$.

Ejemplos

Para 0<x<π/2, sin(x)≤x≤tan(x).

Ejemplo 1

Para calcular el límite

$\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\mathrm{sen}x}{x}$

que es una indeterminación del tipo

$\frac{0}{0}$

se siguen los siguientes pasos:

1. Se toma la relación $\mathrm{sen}x\le x\le \tan x$ en el intervalo $(0,\pi /2)$, sin pérdida de generalidad.

2. Dividiendo los miembros por $\mathrm{sen}x$ resulta:

$1\le \frac{x}{\mathrm{sen}x}\le \frac{1}{\cos x}⟺1\ge \frac{\mathrm{sen}x}{x}\ge \cos x$

3. Se sabe que

$\underset{x\to 0}{\lim }1=1$

y que

$\underset{x\to 0}{\lim }\cos x=1$

4. Por el teorema de sándwich se concluye que

$\underset{x\to 0}{\lim }\frac{\mathrm{sen}x}{x}=1$.

Ejemplo 2

Un razonamiento similar permite calcular el límite doble

$\underset{(x,y)\to (0,0)}{\lim }\frac{x^2{y}^2}{x^2+y^4}$

ya que

$0\le {(|x|-y^2)}^2⟹0\le \frac{x^2{y}^2}{x^2+y^4}\le \frac{1}{2}|x|$

pero como $\underset{(x,y)\to (0,0)}{\lim }\frac{1}{2}|x|=0$ y $\underset{(x,y)\to (0,0)}{\lim }0=0$ entonces por el teorema del sándwich,

$\underset{(x,y)\to (0,0)}{\lim }\frac{x^2{y}^2}{x^2+y^4}=0.$

Versiones

La sucesión $cos(n)/\sqrt{n}$ converge a 0 y se encuentra mayorada y minorada por las sucesiones $1/\sqrt{n}$ y $-1/\sqrt{n}$, respectivamente, también convergentes a 0.

Existen, entre otras, versiones del teorema del emparedado para sucesiones y para series.

Sucesiones

Sean las sucesiones $\{a_n{\}}_{n\in \mathbb{N}}$ y $\{b_n{\}}_{n\in \mathbb{N}}$ convergentes a $L$ y sea la sucesión $\{c_n{\}}_{n\in \mathbb{N}}$ tal que existe $n_0\in \mathbb{N}$ de modo que $a_n\le c_n\le b_n$ para $n\ge n_0$. Entonces, la sucesión $c_n$ también converge a $L$.

Series

Sean $\sum _{n\in \mathbb{N}}{a}_n$ y $\sum _{n\in \mathbb{N}}{b}_n$ dos series convergentes y sea $n_0\in \mathbb{N}$ tal que $a_n\le c_n\le b_n$ para todo $n\ge n_0\in \mathbb{N}$. Entonces, la serie $\sum _{n\in \mathbb{N}}{c}_n$ también converge.

Véase también

• Teorema del sándwich de jamón.

Referencias

• Joseph M. Ling (2001) Examples on Limits of Functions: The Squeeze Theorem