Limites e continuidade em várias variáveis

Domínios, níveis, quádricas, topologia elementar e provas de limites.

TLDR

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Domínio e níveis

  • Impõe todas as restrições em simultâneo. Para log⁡(x2+y2−1)/4−x2−y2\log(x^2+y^2-1)/\sqrt{4-x^2-y^2}, o domínio é o anel 1<x2+y2<41<x^2+y^2<4.
  • Interior: cabe uma bola pequena centrada no ponto dentro do conjunto. Fronteira: qualquer bola centrada no ponto encontra o conjunto e o complemento.
  • Em Rn\mathbb R^n, um conjunto é compacto se e só se é fechado e limitado. Uma função contínua num compacto não vazio atinge máximo e mínimo.
  • Níveis f=cf=c vivem no domínio. O gráfico de f(x,y)f(x,y) vive em três dimensões.

Quádricas pelos cortes

EquaçãoSuperfície
x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1Esfera
z=x2+y2z=x^2+y^2Paraboloide elíptico
z=x2−y2z=x^2-y^2Paraboloide hiperbólico
x2+y2−z2=1x^2+y^2-z^2=1Hiperboloide de uma folha
z2−x2−y2=1z^2-x^2-y^2=1Hiperboloide de duas folhas, com ∣z∣≥1\lvert z\rvert\ge1
z2=x2+y2z^2=x^2+y^2Cone duplo
x2+y2=1x^2+y^2=1Cilindro paralelo a zz

Fixa uma coordenada para reconhecer os cortes. Translações mudam o centro; coeficientes positivos diferentes mudam os semieixos.

Refutar ou provar um limite

O limite em aa exige o mesmo δ\delta em todas as direções do domínio:

∀ε>0 ∃δ>0:0<∥x−a∥<δ  ⟹  ∣f(x)−L∣<ε.\forall\varepsilon>0\ \exists\delta>0:\quad 0<\|x-a\|<\delta\implies |f(x)-L|<\varepsilon.
  • Para refutar, basta um caminho incompatível. Em xy/(x2+y2)xy/(x^2+y^2), os eixos dão 0 e a diagonal dá 1/21/2: não há limite.
  • Retas concordantes não provam. Em x2y/(x4+y2)x^2y/(x^4+y^2), todas as retas dão 0, mas y=x2y=x^2 dá 1/21/2: o δ\delta de cada reta encolhe com a inclinação.
  • Limites iterados iguais também não provam: aproximam uma variável de cada vez. Se diferirem, refutam.
  • Para provar, encontra uma estimativa uniforme, como ∣h∣≤∣y∣≤x2+y2|h|\le|y|\le\sqrt{x^2+y^2} para x2y/(x2+y2)x^2y/(x^2+y^2), com δ=ε\delta=\varepsilon. Em polares, o majorante tem de controlar todos os ângulos.

Num ponto de acumulação, continuidade exige f(a)f(a) definido e limite igual a f(a)f(a). Limites vetoriais verificam-se componente a componente. Parciais no ponto não garantem continuidade.

Limites e caminhos

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