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Jerarquía de los Infinitos: 20 Ejercicios Resueltos Paso a Paso

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By Pimath, 11 August, 2026

En esta colección proponemos 20 ejercicios resueltos sobre la jerarquía de los infinitos, ordenados según una dificultad creciente. Los ejercicios abarcan la comparación de infinitos, los infinitos de orden superior e inferior, los infinitos del mismo orden, la equivalencia asintótica, las jerarquías fundamentales y la determinación del término dominante.

Cada ejercicio se resuelve paso a paso, poniendo de relieve el criterio empleado y explicando por qué puede aplicarse.

Ejercicio 1 — nivel ★☆☆☆☆

Comparar los infinitos \(x^2\) y \(x^5\) cuando \(x\to+\infty\) y determinar cuál de los dos es de orden superior.

Resultado

Se tiene

\[ x^2=o\bigl(x^5\bigr) \qquad\text{cuando }x\to+\infty. \]

Por tanto, \(x^2\) es un infinito de orden inferior respecto a \(x^5\).

Resolución

Ambas funciones tienden a \(+\infty\) cuando \(x\to+\infty\). Para comparar su orden de crecimiento consideramos el cociente entre la primera y la segunda:

\[ \frac{x^2}{x^5}. \]

Utilizando las propiedades de las potencias, simplificamos:

\[ \frac{x^2}{x^5}=\frac{1}{x^3}. \]

Cuando \(x\to+\infty\), también \(x^3\to+\infty\), luego su inverso tiende a \(0\):

\[ \frac{1}{x^3}\to0. \]

Hemos obtenido, por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{x^2}{x^5}=0. \]

Por definición, esto significa que \(x^2\) es despreciable frente a \(x^5\). En notación \(o\) pequeña,

\[ x^2=o\bigl(x^5\bigr). \]

En consecuencia, \(x^2\) es un infinito de orden inferior respecto a \(x^5\), mientras que \(x^5\) es un infinito de orden superior respecto a \(x^2\).

Ejercicio 2 — nivel ★☆☆☆☆

Determinar si los infinitos \(4x^3\) y \(7x^3\), cuando \(x\to+\infty\), son del mismo orden y si son equivalentes.

Resultado

Los infinitos \(4x^3\) y \(7x^3\) son del mismo orden, pero no son equivalentes.

Resolución

Para comparar las dos funciones calculamos el límite de su cociente:

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{4x^3}{7x^3}. \]

Como \(x^3\neq0\) para \(x\) suficientemente grande, podemos simplificar el factor \(x^3\):

\[ \frac{4x^3}{7x^3}=\frac{4}{7}. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{4x^3}{7x^3}=\frac{4}{7}. \]

El límite es un número real finito y distinto de cero. Este es precisamente el criterio que caracteriza a dos infinitos del mismo orden.

Para que las dos funciones fuesen además equivalentes, el límite del cociente debería ser igual a \(1\). En este caso, en cambio,

\[ \frac{4}{7}\neq1. \]

Por tanto, \(4x^3\) y \(7x^3\) son infinitos del mismo orden, pero no son equivalentes.

Ejercicio 3 — nivel ★☆☆☆☆

Demostrar que

\[ x^4+2x^2\sim x^4 \qquad\text{cuando }x\to+\infty. \]

Resultado

Se tiene

\[ x^4+2x^2\sim x^4. \]

Resolución

Para verificar una equivalencia asintótica debemos estudiar el cociente entre las dos funciones y comprobar si este tiende a \(1\).

Consideramos, pues,

\[ \frac{x^4+2x^2}{x^4}. \]

Dividimos por separado los dos términos del numerador entre \(x^4\):

\[ \frac{x^4+2x^2}{x^4} = 1+\frac{2}{x^2}. \]

Cuando \(x\to+\infty\),

\[ \frac{2}{x^2}\to0. \]

En consecuencia,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{x^4+2x^2}{x^4} = 1. \]

Por la definición de equivalencia asintótica, podemos concluir entonces que

\[ x^4+2x^2\sim x^4. \]

Este resultado expresa también el hecho de que, en la suma \(x^4+2x^2\), el término \(x^4\) es dominante: el término \(2x^2\) crece más lentamente y resulta despreciable frente a \(x^4\).

Ejercicio 4 — nivel ★★☆☆☆

Comparar \(x^3\) y \(x^4\) cuando \(x\to-\infty\).

Resultado

Se tiene

\[ x^3=o\bigl(x^4\bigr) \qquad\text{cuando }x\to-\infty. \]

Por tanto, \(x^3\) es un infinito de orden inferior respecto a \(x^4\).

Resolución

En este caso es importante observar que, cuando \(x\to-\infty\),

\[ x^3\to-\infty, \qquad x^4\to+\infty. \]

Las dos funciones tienen, pues, signo distinto. Para comparar correctamente su magnitud consideramos el cociente entre los módulos:

\[ \frac{|x^3|}{|x^4|}. \]

Utilizando las propiedades del valor absoluto,

\[ |x^3|=|x|^3, \qquad |x^4|=|x|^4. \]

Por tanto,

\[ \frac{|x^3|}{|x^4|} = \frac{|x|^3}{|x|^4} = \frac{1}{|x|}. \]

Cuando \(x\to-\infty\), se tiene \(|x|\to+\infty\). En consecuencia,

\[ \frac{1}{|x|}\to0. \]

De ello se sigue que

\[ \lim_{x\to-\infty} \frac{|x^3|}{|x^4|} =0. \]

La magnitud de \(x^3\) es, por tanto, despreciable frente a la de \(x^4\). Equivalentemente,

\[ x^3=o\bigl(x^4\bigr) \qquad\text{cuando }x\to-\infty. \]

Ejercicio 5 — nivel ★★☆☆☆

Comparar \(\ln(x)\) y \(x^{1/3}\) cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

Se tiene

\[ \ln(x)=o\bigl(x^{1/3}\bigr). \]

Resolución

Ambas funciones tienden a \(+\infty\), pero pertenecen a dos familias distintas: \(\ln(x)\) es una función logarítmica, mientras que \(x^{1/3}\) es una potencia positiva de \(x\).

La jerarquía fundamental de los infinitos establece que cualquier potencia positiva del logaritmo neperiano crece más lentamente que cualquier potencia positiva de \(x\):

\[ \bigl(\ln(x)\bigr)^p=o\bigl(x^q\bigr) \]

para todo \(p>0\) y \(q>0\).

En nuestro caso podemos elegir

\[ p=1, \qquad q=\frac{1}{3}. \]

Obtenemos inmediatamente

\[ \ln(x)=o\bigl(x^{1/3}\bigr). \]

En términos del cociente, esta relación significa

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln(x)}{x^{1/3}} =0. \]

Así pues, aunque ambas funciones se hacen arbitrariamente grandes, \(x^{1/3}\) crece asintóticamente más deprisa que \(\ln(x)\).

Ejercicio 6 — nivel ★★☆☆☆

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\bigl(\ln(x)\bigr)^4}{\sqrt{x}}. \]

Resultado

\[ 0 \]

Resolución

Escribimos en primer lugar la raíz cuadrada como potencia:

\[ \sqrt{x}=x^{1/2}. \]

El límite se convierte entonces en

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\bigl(\ln(x)\bigr)^4}{x^{1/2}}. \]

La jerarquía fundamental afirma que, para todo \(p>0\) y \(q>0\),

\[ \bigl(\ln(x)\bigr)^p=o\bigl(x^q\bigr). \]

Tomando

\[ p=4, \qquad q=\frac{1}{2}, \]

obtenemos

\[ \bigl(\ln(x)\bigr)^4=o\bigl(x^{1/2}\bigr). \]

Por definición de \(o\) pequeña, esto significa precisamente que

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\bigl(\ln(x)\bigr)^4}{x^{1/2}} =0. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\bigl(\ln(x)\bigr)^4}{\sqrt{x}} =0 . \]

Ejercicio 7 — nivel ★★☆☆☆

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{x^6}{e^x}. \]

Resultado

\[ 0 \]

Resolución

El numerador \(x^6\) es una potencia positiva de \(x\), mientras que el denominador \(e^x\) es una función exponencial de base \(e>1\).

La jerarquía fundamental de los infinitos establece que toda potencia positiva de \(x\) crece más lentamente que toda exponencial de base mayor que \(1\):

\[ x^q=o\bigl(a^x\bigr) \]

para todo \(q>0\) y \(a>1\).

En nuestro caso

\[ q=6, \qquad a=e. \]

Por tanto,

\[ x^6=o\bigl(e^x\bigr). \]

La notación \(o\) pequeña significa exactamente que el cociente entre \(x^6\) y \(e^x\) tiende a cero:

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{x^6}{e^x}=0. \]

Ejercicio 8 — nivel ★★☆☆☆

Comparar \(3^x\) y \(7^x\) cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

\[ 3^x=o\bigl(7^x\bigr). \]

Resolución

Ambas funciones son exponenciales de base mayor que \(1\). Dentro de esta familia, la exponencial de base mayor crece más deprisa.

Podemos comprobarlo directamente estudiando el cociente:

\[ \frac{3^x}{7^x}. \]

Utilizando la propiedad de las potencias con el mismo exponente,

\[ \frac{3^x}{7^x} = \left(\frac{3}{7}\right)^x. \]

Puesto que

\[ 0<\frac{3}{7}<1, \]

la potencia \(\left(\displaystyle\frac{3}{7}\right)^x\) tiende a \(0\) cuando \(x\to+\infty\). Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{3^x}{7^x} =0. \]

Por definición,

\[ 3^x=o\bigl(7^x\bigr). \]

Así pues, \(3^x\) es un infinito de orden inferior respecto a \(7^x\).

Ejercicio 9 — nivel ★★☆☆☆

Comparar

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) \qquad\text{y}\qquad \sqrt{\ln(x)} \]

cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl(\sqrt{\ln(x)}\bigr). \]

Resolución

Escribamos la segunda función como potencia del logaritmo:

\[ \sqrt{\ln(x)} = \bigl(\ln(x)\bigr)^{1/2}. \]

La jerarquía de los infinitos puede extenderse al logaritmo iterado, y establece que

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl((\ln(x))^p\bigr) \]

para todo \(p>0\).

Eligiendo

\[ p=\frac{1}{2}, \]

obtenemos

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl((\ln(x))^{1/2}\bigr). \]

Como \((\ln(x))^{1/2}=\sqrt{\ln(x)}\), podemos concluir que

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl(\sqrt{\ln(x)}\bigr). \]

Ejercicio 10 — nivel ★★☆☆☆

Comparar \(e^x\) y \(x^x\) cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

\[ e^x=o\bigl(x^x\bigr). \]

Resolución

Ambas funciones tienden a \(+\infty\), pero \(x^x\) crece más deprisa que cualquier exponencial \(a^x\) de base constante \(a>1\).

En efecto, la jerarquía fundamental extendida contiene la relación

\[ a^x=o\bigl(x^x\bigr) \]

para toda base fija \(a>1\).

Eligiendo \(a=e\), obtenemos inmediatamente

\[ e^x=o\bigl(x^x\bigr). \]

De forma equivalente,

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x^x}=0. \]

Por tanto, \(x^x\) es un infinito de orden superior respecto a \(e^x\).

Ejercicio 11 — nivel ★★★☆☆

Ordenar, desde la función que crece más lentamente hasta la que crece más deprisa, las siguientes funciones cuando \(x\to+\infty\):

\[ x^4,\qquad 2^x,\qquad \bigl(\ln(x)\bigr)^3,\qquad x^{1/2},\qquad x^x,\qquad \ln\bigl(\ln(x)\bigr). \]

Resultado

El orden correcto es

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr), \quad \bigl(\ln(x)\bigr)^3, \quad x^{1/2}, \quad x^4, \quad 2^x, \quad x^x. \]

Resolución

Procedemos identificando la familia a la que pertenece cada función.

La función

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) \]

es un logaritmo iterado. Crece más lentamente que cualquier potencia positiva de \(\ln(x)\). En particular,

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl((\ln(x))^3\bigr). \]

A continuación comparamos \((\ln(x))^3\) con \(x^{1/2}\). Toda potencia positiva del logaritmo crece más lentamente que toda potencia positiva de \(x\), luego

\[ (\ln(x))^3=o\bigl(x^{1/2}\bigr). \]

Entre las dos potencias \(x^{1/2}\) y \(x^4\), la de mayor exponente crece más deprisa:

\[ x^{1/2}=o\bigl(x^4\bigr). \]

Toda potencia positiva de \(x\) crece más lentamente que una exponencial de base mayor que \(1\), luego

\[ x^4=o\bigl(2^x\bigr). \]

Finalmente, toda exponencial de base constante mayor que \(1\) crece más lentamente que \(x^x\):

\[ 2^x=o\bigl(x^x\bigr). \]

Reuniendo todas las comparaciones obtenemos la cadena

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr) = o\bigl((\ln(x))^3\bigr), \]

\[ (\ln(x))^3 = o\bigl(x^{1/2}\bigr), \]

\[ x^{1/2} = o\bigl(x^4\bigr), \]

\[ x^4=o\bigl(2^x\bigr), \qquad 2^x=o\bigl(x^x\bigr). \]

Por tanto, desde la función que crece más lentamente hasta la que crece más deprisa, el orden pedido es

\[ \ln\bigl(\ln(x)\bigr), \qquad \bigl(\ln(x)\bigr)^3, \qquad x^{1/2}, \qquad x^4, \qquad 2^x, \qquad x^x. \]

Ejercicio 12 — nivel ★★★☆☆

Determinar el término dominante de

\[ f(x)=5x^6-2x^3+7 \]

cuando \(x\to+\infty\) y encontrar una función equivalente a \(f\).

Resultado

El término dominante es \(5x^6\) y

\[ 5x^6-2x^3+7\sim5x^6. \]

Resolución

Entre las potencias positivas de \(x\), la de mayor exponente crece más deprisa. En la función

\[ 5x^6-2x^3+7 \]

el término de mayor potencia es \(5x^6\).

Para demostrar rigurosamente que este es dominante, dividimos toda la función entre \(5x^6\):

\[ \frac{5x^6-2x^3+7}{5x^6} = 1-\frac{2x^3}{5x^6}+\frac{7}{5x^6}. \]

Simplificando,

\[ \frac{5x^6-2x^3+7}{5x^6} = 1-\frac{2}{5x^3}+\frac{7}{5x^6}. \]

Cuando \(x\to+\infty\),

\[ \frac{2}{5x^3}\to0, \qquad \frac{7}{5x^6}\to0. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{5x^6-2x^3+7}{5x^6} =1. \]

Por la definición de equivalencia asintótica,

\[ 5x^6-2x^3+7\sim5x^6 . \]

Ejercicio 13 — nivel ★★★☆☆

Determinar el término dominante de

\[ f(x)=4e^x+x^8-\bigl(\ln(x)\bigr)^5 \]

cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

El término dominante es \(4e^x\) y

\[ 4e^x+x^8-\bigl(\ln(x)\bigr)^5\sim4e^x. \]

Resolución

Los tres términos pertenecen a familias distintas:

\[ \bigl(\ln(x)\bigr)^5, \qquad x^8, \qquad e^x. \]

La jerarquía fundamental establece que

\[ \bigl(\ln(x)\bigr)^5=o\bigl(x^8\bigr) \]

y

\[ x^8=o\bigl(e^x\bigr). \]

La exponencial es, por tanto, el término de mayor crecimiento.

Para verificar que \(f(x)\) es efectivamente equivalente a \(4e^x\), dividimos entre \(4e^x\):

\[ \frac{4e^x+x^8-(\ln(x))^5}{4e^x} = 1+\frac{x^8}{4e^x} - \frac{(\ln(x))^5}{4e^x}. \]

Como \(x^8=o(e^x)\),

\[ \frac{x^8}{4e^x}\to0. \]

Para el término \((\ln(x))^5\) utilizamos ambas comparaciones de la jerarquía. En efecto, podemos escribir

\[ \frac{(\ln(x))^5}{4e^x} = \frac{1}{4} \cdot \frac{(\ln(x))^5}{x^8} \cdot \frac{x^8}{e^x}. \]

Como

\[ \frac{(\ln(x))^5}{x^8}\to0 \qquad\text{y}\qquad \frac{x^8}{e^x}\to0, \]

su producto también tiende a \(0\). Por tanto,

\[ \frac{(\ln(x))^5}{4e^x}\to0. \]

Obtenemos, pues,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{4e^x+x^8-(\ln(x))^5}{4e^x} =1. \]

Por tanto,

\[ 4e^x+x^8-\bigl(\ln(x)\bigr)^5\sim4e^x . \]

Ejercicio 14 — nivel ★★★☆☆

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(x^3+2x)(\ln(x)+1)} {x^3\ln(x)}. \]

Resultado

\[ 1 \]

Resolución

El numerador es el producto de dos factores. Estudiémoslos por separado.

Para el primer factor,

\[ \frac{x^3+2x}{x^3} = 1+\frac{2}{x^2}\to1. \]

Por tanto,

\[ x^3+2x\sim x^3. \]

Para el segundo factor,

\[ \frac{\ln(x)+1}{\ln(x)} = 1+\frac{1}{\ln(x)}. \]

Como \(\ln(x)\to+\infty\),

\[ \frac{1}{\ln(x)}\to0. \]

Por tanto,

\[ \ln(x)+1\sim\ln(x). \]

La equivalencia asintótica se conserva en los productos. Por tanto,

\[ (x^3+2x)(\ln(x)+1) \sim x^3\ln(x). \]

Por la definición de equivalencia,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(x^3+2x)(\ln(x)+1)} {x^3\ln(x)} =1. \]

Ejercicio 15 — nivel ★★★☆☆

Determinar si

\[ 3x^4+x \qquad\text{y}\qquad 5x^4-2 \]

son infinitos del mismo orden o equivalentes cuando \(x\to+\infty\).

Resultado

Las dos funciones son infinitos del mismo orden, pero no son equivalentes.

Resolución

Consideramos el cociente

\[ \frac{3x^4+x}{5x^4-2}. \]

Como en el numerador y en el denominador el término de mayor grado es de grado cuatro, dividimos ambos entre \(x^4\):

\[ \frac{3x^4+x}{5x^4-2} = \frac{3+\displaystyle\frac{1}{x^3}}{5-\displaystyle\frac{2}{x^4}}. \]

Cuando \(x\to+\infty\),

\[ \frac{1}{x^3}\to0, \qquad \frac{2}{x^4}\to0. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{3x^4+x}{5x^4-2} = \frac{3}{5}. \]

El límite es positivo y finito, luego las dos funciones son infinitos del mismo orden.

Sin embargo,

\[ \frac{3}{5}\neq1. \]

En consecuencia, no son equivalentes.

Podemos también observar por separado que

\[ 3x^4+x\sim3x^4, \qquad 5x^4-2\sim5x^4, \]

y que los dos términos dominantes difieren en un factor constante.

Ejercicio 16 — nivel ★★★★☆

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{e^x+x^6}{e^x-3x^2}. \]

Resultado

\[ 1 \]

Resolución

En el numerador aparecen \(e^x\) y \(x^6\). En el denominador aparecen \(e^x\) y \(x^2\).

La jerarquía fundamental nos dice que cualquier potencia positiva de \(x\) es despreciable frente a \(e^x\). En particular,

\[ x^6=o\bigl(e^x\bigr), \qquad x^2=o\bigl(e^x\bigr). \]

El término dominante tanto en el numerador como en el denominador es, por tanto, \(e^x\).

Dividimos el numerador y el denominador entre \(e^x\):

\[ \frac{e^x+x^6}{e^x-3x^2} = \frac{1+\displaystyle\frac{x^6}{e^x}}{1-\displaystyle\frac{3x^2}{e^x}}. \]

Por las relaciones anteriores,

\[ \frac{x^6}{e^x}\to0 \]

y

\[ \frac{3x^2}{e^x}\to0. \]

Pasando al límite obtenemos

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{1+\displaystyle\frac{x^6}{e^x}}{1-\displaystyle\frac{3x^2}{e^x}} = \frac{1+0}{1-0} =1. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{e^x+x^6}{e^x-3x^2} =1 . \]

Podemos expresar el mismo resultado afirmando que

\[ e^x+x^6\sim e^x \qquad\text{y}\qquad e^x-3x^2\sim e^x. \]

Ejercicio 17 — nivel ★★★★☆

Sabiendo que

\[ \ln(x)=o\bigl(\sqrt{x}\bigr) \qquad\text{cuando }x\to+\infty, \]

determinar la relación correspondiente entre los recíprocos

\[ \frac{1}{\ln(x)} \qquad\text{y}\qquad \frac{1}{\sqrt{x}}. \]

Resultado

Se tiene

\[ \frac{1}{\sqrt{x}} = o\left(\frac{1}{\ln(x)}\right). \]

Resolución

La relación inicial

\[ \ln(x)=o\bigl(\sqrt{x}\bigr) \]

significa, por definición, que

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln(x)}{\sqrt{x}} =0. \]

Ahora queremos comparar los recíprocos

\[ \frac{1}{\sqrt{x}} \qquad\text{y}\qquad \frac{1}{\ln(x)}. \]

Formamos el cociente entre el primero y el segundo:

\[ \frac{\displaystyle\frac{1}{\sqrt{x}}}{\displaystyle\frac{1}{\ln(x)}}. \]

Dividir entre una fracción equivale a multiplicar por su inverso, así que

\[ \frac{\displaystyle\frac{1}{\sqrt{x}}}{\displaystyle\frac{1}{\ln(x)}} = \frac{\ln(x)}{\sqrt{x}}. \]

Pero ya hemos establecido que

\[ \frac{\ln(x)}{\sqrt{x}}\to0. \]

En consecuencia,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\displaystyle\frac{1}{\sqrt{x}}}{\displaystyle\frac{1}{\ln(x)}} =0. \]

Por definición de \(o\) pequeña,

\[ \frac{1}{\sqrt{x}} = o\left(\frac{1}{\ln(x)}\right) . \]

Al pasar a los recíprocos se invierte, pues, el orden de magnitud: cuanto más deprisa crece una función, más deprisa tiende a cero su recíproco.

Ejercicio 18 — nivel ★★★★☆

Sabiendo que

\[ x^2+x\sim x^2 \qquad\text{cuando }x\to+\infty, \]

explicar por qué no es correcto sustituir \(x^2+x\) por \(x^2\) en la diferencia

\[ (x^2+x)-x^2, \]

y calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(x^2+x)-x^2}{x}. \]

Resultado

En este caso no es lícito sustituir \(x^2+x\) por su equivalente \(x^2\) en la diferencia, porque la cancelación de los términos dominantes haría perder el término \(x\).

El límite vale

\[ 1. \]

Resolución

Comenzamos verificando la equivalencia indicada:

\[ \frac{x^2+x}{x^2} = 1+\frac{1}{x}\to1. \]

Así pues, es efectivamente cierto que

\[ x^2+x\sim x^2. \]

Sin embargo, la equivalencia asintótica no es una igualdad. Decir que \(x^2+x\sim x^2\) no significa que podamos sustituir siempre \(x^2+x\) por \(x^2\) en cualquier expresión.

Consideremos, en efecto, la diferencia exacta:

\[ (x^2+x)-x^2. \]

Los términos \(x^2\) se cancelan y queda

\[ (x^2+x)-x^2=x. \]

En consecuencia,

\[ \frac{(x^2+x)-x^2}{x} = \frac{x}{x} =1. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(x^2+x)-x^2}{x} =1 . \]

Veamos ahora qué ocurriría si efectuáramos indebidamente la sustitución

\[ x^2+x\sim x^2 \]

directamente en la diferencia. Obtendríamos

\[ x^2-x^2=0, \]

perdiendo por completo el término \(x\), que es precisamente lo que queda tras la cancelación.

Este ejemplo muestra por qué los equivalentes pueden utilizarse directamente en productos y cocientes, pero no de forma indiscriminada en sumas y diferencias.

Ejercicio 19 — nivel ★★★★☆

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(\ln(x))^3+x^4}{e^x}. \]

Resultado

\[ 0 \]

Resolución

El numerador es la suma de dos funciones:

\[ (\ln(x))^3 \qquad\text{y}\qquad x^4. \]

Comparémoslas primero entre sí. Por la jerarquía fundamental,

\[ (\ln(x))^3=o\bigl(x^4\bigr). \]

Por tanto, dentro del numerador, el término dominante es \(x^4\).

Podemos comprobarlo dividiendo el numerador entre \(x^4\):

\[ \frac{(\ln(x))^3+x^4}{x^4} = \frac{(\ln(x))^3}{x^4}+1. \]

Como

\[ \frac{(\ln(x))^3}{x^4}\to0, \]

se sigue que

\[ (\ln(x))^3+x^4\sim x^4. \]

Ahora comparamos \(x^4\) con el denominador \(e^x\). Una potencia positiva de \(x\) crece más lentamente que una exponencial:

\[ x^4=o\bigl(e^x\bigr). \]

Podemos también descomponer directamente el cociente inicial:

\[ \frac{(\ln(x))^3+x^4}{e^x} = \frac{(\ln(x))^3}{e^x} + \frac{x^4}{e^x}. \]

El segundo término tiende a \(0\) porque \(x^4=o(e^x)\).

Para el primer término podemos escribir

\[ \frac{(\ln(x))^3}{e^x} = \frac{(\ln(x))^3}{x^4} \cdot \frac{x^4}{e^x}. \]

Ambos factores tienden a \(0\), luego su producto también tiende a \(0\).

En consecuencia,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{(\ln(x))^3+x^4}{e^x} =0 . \]

Ejercicio 20 — nivel ★★★★★

Calcular

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{x^x+3^x}{2x^x+x^5}. \]

Resultado

\[ \frac{1}{2} \]

Resolución

En este límite aparecen tres tipos distintos de crecimiento:

\[ x^5,\qquad 3^x,\qquad x^x. \]

Debemos, en primer lugar, determinar qué función domina a las demás.

La jerarquía fundamental nos proporciona

\[ x^5=o\bigl(3^x\bigr), \]

porque toda potencia positiva de \(x\) crece más lentamente que toda exponencial de base mayor que \(1\).

Además,

\[ 3^x=o\bigl(x^x\bigr), \]

porque toda exponencial de base constante mayor que \(1\) crece más lentamente que \(x^x\).

El término dominante tanto en el numerador como en el denominador es, por tanto, \(x^x\).

Dividimos el numerador y el denominador entre \(x^x\):

\[ \frac{x^x+3^x}{2x^x+x^5} = \frac{1+\displaystyle\frac{3^x}{x^x}}{2+\displaystyle\frac{x^5}{x^x}}. \]

De la relación

\[ 3^x=o\bigl(x^x\bigr) \]

se sigue de inmediato que

\[ \frac{3^x}{x^x}\to0. \]

Debemos ahora justificar con cuidado también que

\[ \frac{x^5}{x^x}\to0. \]

Utilizamos las dos comparaciones de la jerarquía ya establecidas:

\[ \frac{x^5}{3^x}\to0 \qquad\text{y}\qquad \frac{3^x}{x^x}\to0. \]

Podemos escribir

\[ \frac{x^5}{x^x} = \frac{x^5}{3^x} \cdot \frac{3^x}{x^x}. \]

Ambos factores tienden a \(0\). Por tanto, su producto tiende a \(0\):

\[ \frac{x^5}{x^x}\to0. \]

Podemos ahora pasar al límite en la expresión obtenida:

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{1+\displaystyle\frac{3^x}{x^x}}{2+\displaystyle\frac{x^5}{x^x}} = \frac{1+0}{2+0} = \frac{1}{2}. \]

Por tanto,

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{x^x+3^x}{2x^x+x^5} = \frac{1}{2} . \]

El resultado puede interpretarse también a través de los términos dominantes:

\[ x^x+3^x\sim x^x \]

y

\[ 2x^x+x^5\sim2x^x. \]

El cociente entre las dos funciones se comporta, por tanto, como

\[ \frac{x^x}{2x^x}=\frac{1}{2}. \]


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  • Análisis Matemático 1

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