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Gerarchia degli Infiniti: 20 Esercizi Svolti Passo Passo

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By Pimath, 11 August, 2026

In questa raccolta proponiamo 20 esercizi svolti sulla gerarchia degli infiniti, ordinati secondo una difficoltà crescente. Gli esercizi riguardano il confronto tra funzioni infinite, gli infiniti di ordine superiore e inferiore, gli infiniti dello stesso ordine, l'equivalenza asintotica, le gerarchie fondamentali e l'individuazione del termine dominante.

Ogni esercizio viene risolto passo passo, mettendo in evidenza il criterio utilizzato e spiegando perché esso può essere applicato.

Esercizio 1 — livello ★☆☆☆☆

Confrontare gli infiniti \(x^2\) e \(x^5\) per \(x\to+\infty\) e stabilire quale dei due è di ordine superiore.

Risultato

Si ha

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

Pertanto \(x^2\) è un infinito di ordine inferiore rispetto a \(x^5\).

Svolgimento

Entrambe le funzioni tendono a \(+\infty\) quando \(x\to+\infty\). Per confrontarne l'ordine di crescita consideriamo il rapporto tra la prima e la seconda:

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

Utilizzando le proprietà delle potenze, semplifichiamo:

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

Quando \(x\to+\infty\), anche \(x^3\to+\infty\), quindi il suo reciproco tende a \(0\):

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

Abbiamo dunque ottenuto

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

Per definizione, questo significa che \(x^2\) è trascurabile rispetto a \(x^5\). In notazione \(o\)-piccolo,

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

Di conseguenza, \(x^2\) è un infinito di ordine inferiore rispetto a \(x^5\), mentre \(x^5\) è un infinito di ordine superiore rispetto a \(x^2\).

Esercizio 2 — livello ★☆☆☆☆

Stabilire se gli infiniti \(4x^3\) e \(7x^3\), per \(x\to+\infty\), sono dello stesso ordine e se sono equivalenti.

Risultato

Gli infiniti \(4x^3\) e \(7x^3\) sono dello stesso ordine, ma non sono equivalenti.

Svolgimento

Per confrontare le due funzioni calcoliamo il limite del loro rapporto:

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

Poiché \(x^3\neq0\) per \(x\) sufficientemente grande, possiamo semplificare il fattore \(x^3\):

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

Quindi

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

Il limite è un numero reale positivo e finito. Questo è precisamente il criterio che caratterizza due infiniti dello stesso ordine.

Perché le due funzioni fossero anche equivalenti, il limite del rapporto dovrebbe essere uguale a \(1\). In questo caso, invece,

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

Pertanto \(4x^3\) e \(7x^3\) sono infiniti dello stesso ordine, ma non sono equivalenti.

Esercizio 3 — livello ★☆☆☆☆

Dimostrare che

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

Risultato

Si ha

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

Svolgimento

Per verificare un'equivalenza asintotica dobbiamo studiare il rapporto tra le due funzioni e controllare se esso tende a \(1\).

Consideriamo quindi

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

Dividiamo separatamente i due termini del numeratore per \(x^4\):

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

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

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

Di conseguenza,

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

Per definizione di equivalenza asintotica possiamo quindi concludere che

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

Questo risultato esprime anche il fatto che, nella somma \(x^4+2x^2\), il termine \(x^4\) è dominante: il termine \(2x^2\) cresce più lentamente ed è trascurabile rispetto a \(x^4\).

Esercizio 4 — livello ★★☆☆☆

Confrontare \(x^3\) e \(x^4\) per \(x\to-\infty\).

Risultato

In valore assoluto,

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

Pertanto \(x^3\) è un infinito di ordine inferiore rispetto a \(x^4\).

Svolgimento

In questo caso è importante osservare che, per \(x\to-\infty\),

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

Le due funzioni hanno quindi segno diverso. Per confrontare correttamente la loro grandezza consideriamo il rapporto tra i moduli:

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

Utilizzando le proprietà del valore assoluto,

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

Pertanto

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

Quando \(x\to-\infty\), si ha \(|x|\to+\infty\). Di conseguenza,

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

Ne segue che

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

La grandezza di \(x^3\) è quindi trascurabile rispetto a quella di \(x^4\), e possiamo scrivere

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

Esercizio 5 — livello ★★☆☆☆

Confrontare \(\ln(x)\) e \(x^{1/3}\) per \(x\to+\infty\).

Risultato

Si ha

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

Svolgimento

Entrambe le funzioni tendono a \(+\infty\), ma appartengono a due famiglie differenti: \(\ln(x)\) è una funzione logaritmica, mentre \(x^{1/3}\) è una potenza positiva di \(x\).

La gerarchia fondamentale degli infiniti stabilisce che qualunque potenza positiva del logaritmo naturale cresce più lentamente di qualunque potenza positiva di \(x\):

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

per ogni \(p>0\) e \(q>0\).

Nel nostro caso possiamo scegliere

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

Otteniamo immediatamente

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

In termini di rapporto, questa relazione significa

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

Dunque, anche se entrambe le funzioni diventano arbitrariamente grandi, \(x^{1/3}\) cresce asintoticamente più rapidamente di \(\ln(x)\).

Esercizio 6 — livello ★★☆☆☆

Calcolare

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

Risultato

\[ 0 \]

Svolgimento

Scriviamo innanzitutto la radice quadrata come potenza:

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

Il limite diventa quindi

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

La gerarchia fondamentale afferma che, per ogni \(p>0\) e \(q>0\),

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

Prendendo

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

otteniamo

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

Per definizione di \(o\)-piccolo, questo significa precisamente che

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

Pertanto

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

Esercizio 7 — livello ★★☆☆☆

Calcolare

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

Risultato

\[ 0 \]

Svolgimento

Il numeratore \(x^6\) è una potenza positiva di \(x\), mentre il denominatore \(e^x\) è una funzione esponenziale con base \(e>1\).

La gerarchia fondamentale degli infiniti stabilisce che ogni potenza positiva di \(x\) cresce più lentamente di ogni esponenziale con base maggiore di \(1\):

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

per ogni \(q>0\) e \(a>1\).

Nel nostro caso

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

Pertanto

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

La notazione \(o\)-piccolo significa esattamente che il rapporto tra \(x^6\) ed \(e^x\) tende a zero:

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

Quindi

\[ 0. \]

Esercizio 8 — livello ★★☆☆☆

Confrontare \(3^x\) e \(7^x\) per \(x\to+\infty\).

Risultato

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

Svolgimento

Le due funzioni sono entrambe esponenziali con base maggiore di \(1\). All'interno di questa famiglia, l'esponenziale con base maggiore cresce più rapidamente.

Possiamo verificarlo direttamente studiando il rapporto:

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

Utilizzando la proprietà delle potenze con lo stesso esponente,

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

Poiché

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

la potenza \(\left(\displaystyle\frac{3}{7}\right)^x\) tende a \(0\) quando \(x\to+\infty\). Pertanto

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

Per definizione,

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

Quindi \(3^x\) è un infinito di ordine inferiore rispetto a \(7^x\).

Esercizio 9 — livello ★★☆☆☆

Confrontare

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

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

Risultato

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

Svolgimento

Scriviamo la seconda funzione come potenza del logaritmo:

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

La gerarchia degli infiniti può essere estesa al logaritmo iterato e stabilisce che

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

per ogni \(p>0\).

Scegliendo

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

otteniamo

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

Poiché \((\ln(x))^{1/2}=\sqrt{\ln(x)}\), possiamo concludere che

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

Esercizio 10 — livello ★★☆☆☆

Confrontare \(e^x\) e \(x^x\) per \(x\to+\infty\).

Risultato

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

Svolgimento

Entrambe le funzioni tendono a \(+\infty\), ma \(x^x\) cresce più rapidamente di ogni esponenziale \(a^x\) con base costante \(a>1\).

La gerarchia fondamentale estesa contiene infatti la relazione

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

per ogni base fissa \(a>1\).

Scegliendo \(a=e\), otteniamo immediatamente

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

Equivalentemente,

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

Pertanto \(x^x\) è un infinito di ordine superiore rispetto a \(e^x\).

Esercizio 11 — livello ★★★☆☆

Ordinare, dalla funzione che cresce più lentamente a quella che cresce più rapidamente, le seguenti funzioni per \(x\to+\infty\):

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

Risultato

L'ordine corretto è

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

Svolgimento

Procediamo riconoscendo la famiglia a cui appartiene ciascuna funzione.

La funzione

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

è un logaritmo iterato. Essa cresce più lentamente di ogni potenza positiva di \(\ln(x)\). In particolare,

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

Successivamente confrontiamo \((\ln(x))^3\) con \(x^{1/2}\). Ogni potenza positiva del logaritmo cresce più lentamente di ogni potenza positiva di \(x\), quindi

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

Tra le due potenze \(x^{1/2}\) e \(x^4\), quella con esponente maggiore cresce più rapidamente:

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

Ogni potenza positiva di \(x\) cresce più lentamente di un esponenziale con base maggiore di \(1\), quindi

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

Infine, ogni esponenziale con base costante maggiore di \(1\) cresce più lentamente di \(x^x\):

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

Mettendo insieme tutti i confronti otteniamo la catena

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

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

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

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

Pertanto, dalla funzione che cresce più lentamente a quella che cresce più rapidamente, l'ordine richiesto è

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

Esercizio 12 — livello ★★★☆☆

Determinare il termine dominante di

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

per \(x\to+\infty\) e trovare una funzione equivalente a \(f\).

Risultato

Il termine dominante è \(5x^6\) e

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

Svolgimento

Tra le potenze positive di \(x\), quella con esponente maggiore cresce più rapidamente. Nella funzione

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

il termine con la potenza più elevata è \(5x^6\).

Per dimostrare rigorosamente che esso è dominante dividiamo tutta la funzione per \(5x^6\):

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

Semplificando,

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

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

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

Pertanto

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

Per definizione di equivalenza asintotica,

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

Esercizio 13 — livello ★★★☆☆

Determinare il termine dominante di

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

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

Risultato

Il termine dominante è \(4e^x\) e

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

Svolgimento

I tre termini appartengono a famiglie differenti:

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

La gerarchia fondamentale stabilisce che

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

e

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

L'esponenziale è quindi il termine di crescita maggiore.

Per verificare che \(4e^x\) sia effettivamente equivalente alla funzione completa dividiamo per \(4e^x\):

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

Poiché \(x^8=o(e^x)\),

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

Per il termine \((\ln(x))^5\) utilizziamo entrambi i confronti della gerarchia. Possiamo infatti scrivere

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

Poiché

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

anche il loro prodotto tende a \(0\). Pertanto

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

Otteniamo dunque

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

Pertanto

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

Esercizio 14 — livello ★★★☆☆

Calcolare

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

Risultato

\[ 1 \]

Svolgimento

Il numeratore è il prodotto di due fattori. Studiamoli separatamente.

Per il primo fattore,

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

Pertanto

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

Per il secondo fattore,

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

Poiché \(\ln(x)\to+\infty\),

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

Quindi

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

L'equivalenza asintotica si conserva nei prodotti. Pertanto

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

Per definizione di equivalenza,

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

Dunque

\[ 1. \]

Esercizio 15 — livello ★★★☆☆

Stabilire se

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

sono infiniti dello stesso ordine o equivalenti per \(x\to+\infty\).

Risultato

Le due funzioni sono infiniti dello stesso ordine, ma non sono equivalenti.

Svolgimento

Consideriamo il rapporto

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

Poiché al numeratore e al denominatore il termine di grado maggiore è di quarto grado, dividiamo entrambi per \(x^4\):

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

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

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

Pertanto

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

Il limite è positivo e finito, quindi le due funzioni sono infiniti dello stesso ordine.

Tuttavia

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

Di conseguenza esse non sono equivalenti.

Possiamo anche osservare separatamente che

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

e che i due termini dominanti differiscono per un fattore costante.

Esercizio 16 — livello ★★★★☆

Calcolare

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

Risultato

\[ 1 \]

Svolgimento

Nel numeratore compaiono \(e^x\) e \(x^6\). Nel denominatore compaiono \(e^x\) e \(x^2\).

La gerarchia fondamentale ci dice che qualsiasi potenza positiva di \(x\) è trascurabile rispetto a \(e^x\). In particolare,

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

Il termine dominante sia al numeratore sia al denominatore è quindi \(e^x\).

Dividiamo numeratore e denominatore per \(e^x\):

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

Per le relazioni precedenti,

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

e

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

Passando al limite otteniamo

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

Pertanto

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

Possiamo esprimere lo stesso risultato affermando che

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

Esercizio 17 — livello ★★★★☆

Sapendo che

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

stabilire la corrispondente relazione tra i reciproci

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

Risultato

Si ha

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

Svolgimento

La relazione iniziale

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

significa, per definizione, che

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

Ora vogliamo confrontare i reciproci

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

Formiamo il rapporto tra il primo e il secondo:

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

Dividere per una frazione significa moltiplicare per il suo reciproco, quindi

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

Ma abbiamo già stabilito che

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

Di conseguenza,

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

Per definizione di \(o\)-piccolo,

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

Il passaggio ai reciproci inverte quindi l'ordine di grandezza: la funzione che cresce più rapidamente possiede il reciproco che tende a zero più rapidamente.

Esercizio 18 — livello ★★★★☆

Sapendo che

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

spiegare perché non è corretto sostituire \(x^2+x\) con \(x^2\) nella differenza

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

e calcolare

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

Risultato

In questo caso non è lecito sostituire \(x^2+x\) con il suo equivalente \(x^2\) nella differenza, perché la cancellazione dei termini dominanti farebbe perdere il termine \(x\).

Il limite vale

\[ 1. \]

Svolgimento

Cominciamo verificando l'equivalenza indicata:

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

Quindi è effettivamente vero che

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

Tuttavia l'equivalenza asintotica non è un'uguaglianza. Dire che \(x^2+x\sim x^2\) non significa che possiamo sostituire sempre \(x^2+x\) con \(x^2\) in qualsiasi espressione.

Consideriamo infatti la differenza esatta:

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

I termini \(x^2\) si cancellano e rimane

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

Di conseguenza,

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

Pertanto

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

Vediamo ora che cosa accadrebbe effettuando impropriamente la sostituzione

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

direttamente nella differenza. Otterremmo

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

perdendo completamente il termine \(x\), che è invece proprio ciò che rimane dopo la cancellazione.

Questo esempio mostra perché gli equivalenti possono essere utilizzati direttamente nei prodotti e nei quozienti, ma non indiscriminatamente nelle somme e nelle differenze.

Esercizio 19 — livello ★★★★☆

Calcolare

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

Risultato

\[ 0 \]

Svolgimento

Il numeratore è la somma di due funzioni:

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

Confrontiamole innanzitutto tra loro. Dalla gerarchia fondamentale,

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

Pertanto, all'interno del numeratore, il termine dominante è \(x^4\).

Possiamo verificarlo dividendo il numeratore per \(x^4\):

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

Poiché

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

segue che

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

Ora confrontiamo \(x^4\) con il denominatore \(e^x\). Una potenza positiva di \(x\) cresce più lentamente di un esponenziale:

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

Possiamo anche separare direttamente il rapporto iniziale:

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

Il secondo termine tende a \(0\) perché \(x^4=o(e^x)\).

Per il primo termine possiamo scrivere

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

Entrambi i fattori tendono a \(0\), quindi anche il loro prodotto tende a \(0\).

Di conseguenza,

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

Esercizio 20 — livello ★★★★★

Calcolare

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

Risultato

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

Svolgimento

In questo limite compaiono tre differenti tipi di crescita:

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

Dobbiamo innanzitutto stabilire quale funzione domina le altre.

La gerarchia fondamentale ci fornisce

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

perché ogni potenza positiva di \(x\) cresce più lentamente di ogni esponenziale con base maggiore di \(1\).

Inoltre,

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

perché ogni esponenziale con base costante maggiore di \(1\) cresce più lentamente di \(x^x\).

Il termine dominante sia al numeratore sia al denominatore è quindi \(x^x\).

Dividiamo numeratore e denominatore per \(x^x\):

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

Dalla relazione

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

segue immediatamente che

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

Dobbiamo ora giustificare con attenzione anche

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

Utilizziamo i due confronti della gerarchia già individuati:

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

Possiamo scrivere

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

Entrambi i fattori tendono a \(0\). Pertanto il loro prodotto tende a \(0\):

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

Possiamo ora passare al limite nell'espressione ottenuta:

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

Quindi

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

Il risultato può essere interpretato anche attraverso i termini dominanti:

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

e

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

Il rapporto tra le due funzioni si comporta quindi come

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


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  • Analisi Matematica 1

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