Lezione 6 · Canale 1 · venerdì 2 ottobre 2026

Limiti, funzioni vettoriali e successioni

Programmazione Matematica

Un'unica definizione di limite

Il limite lim⁡x→x0f(x)=l\lim_{x\to x_0}f(x)=l di una funzione f:D⊆R→Rf:D\subseteq\mathbb R\to\mathbb R ha nove casi: x0x_0 finito, +∞+\infty o −∞-\infty, e ll finito, +∞+\infty o −∞-\infty. La frase è sempre la stessa: comunque si fissi un intorno del valore limite, c'è un intorno del punto che ff manda dentro il primo. Cambia solo la forma degli intorni. Il punto stesso è escluso (x≠x0x\ne x_0): il limite non dipende dal valore di ff in x0x_0, che può anche non essere definito.

Punto finito, limite finito. Con B(x0,ε)={x∈R:∣x−x0∣<ε}B(x_0,\varepsilon)=\{x\in\mathbb R:|x-x_0|<\varepsilon\}:

∀ε>0 ∃δε>0:x∈D, 0<∣x−x0∣<δε⇒ ∣f(x)−l∣<ε\begin{aligned} &\forall\varepsilon>0\ \exists\delta_\varepsilon>0:\\ &x\in D,\ 0<|x-x_0|<\delta_\varepsilon\\ &\Rightarrow\ |f(x)-l|<\varepsilon \end{aligned}

Con le palle, la stessa cosa:

∀B(l,ε) ∃B(x0,δε):x∈(D∩B(x0,δε))∖{x0}⇒ f(x)∈B(l,ε)\begin{aligned} &\forall B(l,\varepsilon)\ \exists B(x_0,\delta_\varepsilon):\\ &x\in\bigl(D\cap B(x_0,\delta_\varepsilon)\bigr)\setminus\{x_0\}\\ &\Rightarrow\ f(x)\in B(l,\varepsilon) \end{aligned}

Il limite di per

00,20,40,60,811,21,41,61,800,511,522,53
  • riquadro
Un va bene se, quando , la curva resta dentro la fascia di semialtezza ; al diminuire di serve un più piccolo.

Limite infinito. Al posto di ε\varepsilon si fissa una soglia MM:

lim⁡x→x0f(x)=+∞: ∀M ∃δM>0:x∈D, 0<∣x−x0∣<δM⇒ f(x)>M\begin{aligned} \lim_{x\to x_0}f(x)=+\infty&:\ \forall M\ \exists\delta_M>0:\\ &x\in D,\ 0<|x-x_0|<\delta_M\\ &\Rightarrow\ f(x)>M \end{aligned}

Per −∞-\infty si chiede f(x)<Mf(x)<M.

Punto di accumulazione. Per studiare il limite in x0x_0, ogni intorno di x0x_0 deve contenere punti di DD diversi da x0x_0: solo così ci si avvicina a x0x_0 con punti del dominio, e la condizione non è vuota.

Punto infinito. x→+∞x\to+\infty ha senso se +∞+\infty è punto di accumulazione di DD: si devono poter prendere punti di DD arbitrariamente lontani. Con limite finito:

∀ε>0 ∃Mε:x∈D, x>Mε⇒ ∣f(x)−l∣<ε\begin{aligned} &\forall\varepsilon>0\ \exists M_\varepsilon:\\ &x\in D,\ x>M_\varepsilon\\ &\Rightarrow\ |f(x)-l|<\varepsilon \end{aligned}

Gli intorni sferici

Per unificare si aggiungono gli infiniti alle semirette:

B(+∞,ε)={x∈R:x>ε}∪{+∞}B(−∞,ε)={x∈R:x<ε}∪{−∞}\begin{aligned} B(+\infty,\varepsilon)&=\{x\in\mathbb R:x>\varepsilon\}\\ &\quad\cup\{+\infty\}\\ B(-\infty,\varepsilon)&=\{x\in\mathbb R:x<\varepsilon\}\\ &\quad\cup\{-\infty\} \end{aligned}

Sia R∗=R∪{+∞}∪{−∞}\mathbb R^*=\mathbb R\cup\{+\infty\}\cup\{-\infty\}. Per xˉ∈R∗\bar x\in\mathbb R^*, N(xˉ)N(\bar x) è un insieme aperto che contiene un intorno sferico di xˉ\bar x. Con x0,l∈R∗x_0,l\in\mathbb R^* e x0x_0 punto di accumulazione di DD, tutti i casi sono:

lim⁡x→x0f(x)=l   ⟺   ∀ U(l) ∃ N(x0):x∈(D∩N(x0))∖{x0}⇒ f(x)∈U(l)\begin{aligned} \lim_{x\to x_0}f(x)=l\ \iff\ &\forall\,\mathcal U(l)\ \exists\,N(x_0):\\ &x\in\bigl(D\cap N(x_0)\bigr)\setminus\{x_0\}\\ &\Rightarrow\ f(x)\in\mathcal U(l) \end{aligned}

dove U(l)\mathcal U(l) è un intorno di ll.

Più variabili

In Rn\mathbb R^n la distanza diventa la norma. Sia R∗n=Rn∪{∞}\mathbb R^n_*=\mathbb R^n\cup\{\infty\}, con un solo punto all'infinito perché Rn\mathbb R^n non è ordinato, e

B(x0,ε)={x∈Rn:∥x−x0∥<ε}B(∞,a)={x∈Rn:∥x∥>a}∪{∞}\begin{aligned} B(x_0,\varepsilon)&=\{x\in\mathbb R^n:\|x-x_0\|<\varepsilon\}\\ B(\infty,a)&=\{x\in\mathbb R^n:\|x\|>a\}\\ &\quad\cup\{\infty\} \end{aligned}

Per f:D⊆Rn→Rf:D\subseteq\mathbb R^n\to\mathbb R e x0∈Rnx_0\in\mathbb R^n di accumulazione per DD, il limite è ll, +∞+\infty o −∞-\infty. Nel caso finito:

∀ε>0 ∃δε>0:x∈D, 0<∥x−x0∥<δε⇒ ∣f(x)−l∣<ε\begin{aligned} &\forall\varepsilon>0\ \exists\delta_\varepsilon>0:\\ &x\in D,\ 0<\|x-x_0\|<\delta_\varepsilon\\ &\Rightarrow\ |f(x)-l|<\varepsilon \end{aligned}

Per ∥x∥→∞\|x\|\to\infty si chiede un raggio aεa_\varepsilon: x∈Dx\in D, ∥x∥>aε⇒∣f(x)−l∣<ε\|x\|>a_\varepsilon\Rightarrow|f(x)-l|<\varepsilon. Per le funzioni scalari di nn variabili valgono le proprietà dei limiti di una variabile, come la linearità e la permanenza del segno.

Funzioni a valori vettoriali

Sia f:D⊆Rn→Rmf:D\subseteq\mathbb R^n\to\mathbb R^m con m>1m>1 e x0∈Rnx_0\in\mathbb R^n di accumulazione per DD. Il limite può essere un vettore l∈Rml\in\mathbb R^m oppure ∞\infty: in Rm\mathbb R^m non c'è un ordine, quindi non si distingue +∞+\infty da −∞-\infty.

lim⁡x→x0f(x)=l: ∀ε>0 ∃δε>0:x∈D, 0<∥x−x0∥<δε⇒ ∥f(x)−l∥<ε\begin{aligned} \lim_{x\to x_0}f(x)=l&:\ \forall\varepsilon>0\ \exists\delta_\varepsilon>0:\\ &x\in D,\ 0<\|x-x_0\|<\delta_\varepsilon\\ &\Rightarrow\ \|f(x)-l\|<\varepsilon \end{aligned} lim⁡x→x0f(x)=∞: ∀M ∃δM>0:x∈D, 0<∥x−x0∥<δM⇒ ∥f(x)∥>M\begin{aligned} \lim_{x\to x_0}f(x)=\infty&:\ \forall M\ \exists\delta_M>0:\\ &x\in D,\ 0<\|x-x_0\|<\delta_M\\ &\Rightarrow\ \|f(x)\|>M \end{aligned}

Anche qui vale la definizione unica, con x0∈R∗nx_0\in\mathbb R^n_* e l∈R∗ml\in\mathbb R^m_*: cambiano solo gli intorni, e in Rm\mathbb R^m con m>1m>1 c'è un solo infinito. Il limite, se esiste, è unico.

Successioni

Una successione di punti di Rn\mathbb R^n è una funzione f:N→Rnf:\mathbb N\to\mathbb R^n, o definita sui naturali k>kˉk>\bar k. Si scrive {xk}\{x_k\} con xk=f(k)x_k=f(k). Per esempio, una successione di punti di R3\mathbb R^3:

xk=(1k+1k2−1k)∈R3x_k=\begin{pmatrix}\dfrac1{k+1}\\k^2-1\\k\end{pmatrix}\in\mathbb R^3

Le successioni sono ciò che genera un algoritmo iterativo: da x0x_0 ricava x1x_1, poi x2x_2, e così via, con punti che approssimano la soluzione. Per un algoritmo si studia se la successione converge e se il limite ha le proprietà richieste. Il metodo del simplesso genera una successione di punti; l'addestramento di una rete neurale, una successione di configurazioni dei pesi.

Sottosuccessioni

Si sceglie una successione infinita di indici interi crescenti K={k1,k2,…,ki,… }K=\{k_1,k_2,\dots,k_i,\dots\} e si pone y1=xk1y_1=x_{k_1}, y2=xk2y_2=x_{k_2}, e così via. La successione {yk}\{y_k\} è una sottosuccessione: elimina infiniti termini e ne conserva infiniti. Con K={0,2,4,6,8,… }K=\{0,2,4,6,8,\dots\} si ottiene {xk}K={x0,x2,x4,… }\{x_k\}_K=\{x_0,x_2,x_4,\dots\}.

Limite di una successione

L'unico punto di accumulazione di N\mathbb N è +∞+\infty, quindi si studia solo k→∞k\to\infty. Il limite, se esiste, è xˉ∈Rn\bar x\in\mathbb R^n oppure ∞\infty, come per le funzioni a valori vettoriali.

lim⁡k→∞xk=xˉ: ∀ε>0 ∃kε:k≥kε⇒ ∥xk−xˉ∥<ε\begin{aligned} \lim_{k\to\infty}x_k=\bar x&:\ \forall\varepsilon>0\ \exists k_\varepsilon:\\ &k\ge k_\varepsilon\\ &\Rightarrow\ \|x_k-\bar x\|<\varepsilon \end{aligned} lim⁡k→∞xk=∞: ∀M>0 ∃kM:k≥kM ⇒ ∥xk∥>M\begin{aligned} \lim_{k\to\infty}x_k=\infty&:\ \forall M>0\ \exists k_M:\\ &k\ge k_M\ \Rightarrow\ \|x_k\|>M \end{aligned}

La condizione k≥kεk\ge k_\varepsilon è un intorno infinito rispetto ai naturali. Se il limite esiste ed è xˉ∈Rn\bar x\in\mathbb R^n, la successione è convergente; se è ∞\infty, è divergente (la norma cresce senza limite, in nessuna direzione particolare); se non è né l'una né l'altra, è irregolare.

Una successione convergente

024681012141600,20,40,60,811,21,41,6
Da in poi tutti i termini stanno nel riquadro attorno a ; più è piccolo, più è grande.

Esempio di successione irregolare. Si pone xk=1/kx_k=1/k per kk pari e xk=kx_k=k per kk dispari, con k≥1k\ge1. La sottosuccessione degli indici pari tende a 00, quella degli indici dispari a +∞+\infty. Le due sottosuccessioni vanno a valori diversi: la successione non è né convergente né divergente.

Una successione irregolare e le sue sottosuccessioni

0123456789100246810
  • indici pari
  • indici dispari
Le sottosuccessioni di indici pari e dispari hanno limiti diversi ( e ): la successione intera non converge e non diverge.

Formulario

Intorni, con x∈Rx\in\mathbb R

B(x0,ε)={∣x−x0∣<ε}B(+∞,ε)={x>ε}∪{+∞}B(−∞,ε)={x<ε}∪{−∞}\begin{aligned} B(x_0,\varepsilon)&=\{|x-x_0|<\varepsilon\}\\ B(+\infty,\varepsilon)&=\{x>\varepsilon\}\\ &\quad\cup\{+\infty\}\\ B(-\infty,\varepsilon)&=\{x<\varepsilon\}\\ &\quad\cup\{-\infty\} \end{aligned}

Limite finito per x→+∞x\to+\infty

∀ε>0 ∃Mε:x>Mε⇒∣f(x)−l∣<ε\begin{gathered} \forall\varepsilon>0\ \exists M_\varepsilon:\\ x>M_\varepsilon\Rightarrow|f(x)-l|<\varepsilon \end{gathered}

Intorni in Rn\mathbb R^n

B(x0,ε)={∥x−x0∥<ε}B(∞,a)={∥x∥>a}∪{∞}\begin{aligned} B(x_0,\varepsilon)&=\{\|x-x_0\|<\varepsilon\}\\ B(\infty,a)&=\{\|x\|>a\}\\ &\quad\cup\{\infty\} \end{aligned}

Limite, con x0,l∈R∗x_0,l\in\mathbb R^*

∀ U(l) ∃ N(x0):x∈(D∩N(x0))∖{x0}⇒f(x)∈U(l)\begin{gathered} \forall\,\mathcal U(l)\ \exists\,N(x_0):\\ x\in(D\cap N(x_0))\setminus\{x_0\}\\ \Rightarrow f(x)\in\mathcal U(l) \end{gathered}

Limite finito di f:Rn→Rmf:\mathbb R^n\to\mathbb R^m

∀ε>0 ∃δε>0:0<∥x−x0∥<δε⇒∥f(x)−l∥<ε\begin{gathered} \forall\varepsilon>0\ \exists\delta_\varepsilon>0:\\ 0<\|x-x_0\|<\delta_\varepsilon\\ \Rightarrow\|f(x)-l\|<\varepsilon \end{gathered}

Limite infinito di f:Rn→Rmf:\mathbb R^n\to\mathbb R^m

∀M ∃δM>0:0<∥x−x0∥<δM⇒∥f(x)∥>M\begin{gathered} \forall M\ \exists\delta_M>0:\\ 0<\|x-x_0\|<\delta_M\\ \Rightarrow\|f(x)\|>M \end{gathered}

Successione e sottosuccessione

f:N→Rn, {xk}K={k1,k2,… }, yi=xki\begin{gathered} f:\mathbb N\to\mathbb R^n,\ \{x_k\}\\ K=\{k_1,k_2,\dots\},\ y_i=x_{k_i} \end{gathered}

Successione convergente

∀ε>0 ∃kε:k≥kε⇒∥xk−xˉ∥<ε\begin{gathered} \forall\varepsilon>0\ \exists k_\varepsilon:\\ k\ge k_\varepsilon\Rightarrow\|x_k-\bar x\|<\varepsilon \end{gathered}

Successione divergente

∀M>0 ∃kM:k≥kM⇒∥xk∥>M\begin{gathered} \forall M>0\ \exists k_M:\\ k\ge k_M\Rightarrow\|x_k\|>M \end{gathered}

Il limite, se esiste, è unico.

Irregolare: né convergente né divergente.