Skip to content Study Mondo Free study resources for students from Grade 4 through AP and test prep. 24 courses, 700+ topics.
Courses Features Company Stay Ahead in School Free weekly study tips, practice sets, and exam strategies. Join 10,000+ students.
ยฉ 2026 Study Mondo. Built for students.
APยฎ is a trademark registered by the College Board, which is not affiliated with, and does not endorse, this website.
Introduction to Limits - Interactive Lesson | Study Mondo
Introduction to Limits - Complete Interactive Lesson Part 1: Intuitive Limits ๐ฏ What Is a Limit?
Part 1 of 7
The Big Idea
A limit describes what a function approaches as x x x gets closer to a value โ even if it never gets there!
lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L
"As x x x approaches c c c , f ( x ) f(x) f ( x ) approaches L L L ."
Why Limits Matter
Limits are the foundation of calculus:
Derivatives = limits of difference quotients
Integrals = limits of Riemann sums
Continuity = defined using limits
Intuitive Example
f ( x ) = x 2 โ 1 x โ 1 f(x) = \frac{x^2-1}{x-1} f ( x ) = x โ 1 x 2 โ 1 โ
At x = 1 x = 1 x = 1 : f ( 1 ) = 0 / 0 f(1) = 0/0 f ( 1 ) = 0/0 โ undefined!
But simplify: f ( x ) = ( x โ 1 ) ( x + 1 ) x โ 1 = x + 1 f(x) = \frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = x+1 f ( x ) = x โ 1 ( x โ 1 ) ( x + 1 ) โ = (when ).
As x โ 1 x \to 1 x โ 1 , f ( x ) โ 2 f(x) \to 2 f ( x ) โ 2 . So lim โก x โ 1 f ( x ) = 2 \lim_{x \to 1} f(x) = 2 lim x โ 1 .
The limit exists even though f ( 1 ) f(1) f ( 1 ) is undefined!
๐ Estimating Limits from Tables
Approach from Both Sides
For f ( x ) = x 2 โ 1 x โ 1 f(x) = \frac{x^2-1}{x-1} f ( x ) = x โ 1 x 2 โ 1 โ :
๐ One-Sided Limits
Left-Hand Limit (from below)
lim โก x โ c โ f ( x ) = L \lim_{x \to c^-} f(x) = L lim x โ c โ โ f ( x ) = L
x x approaches from values .
Limits Intuition Quiz ๐ฏ
Evaluate Limits ๐งฎ
1) lim โก x โ 3 ( x 2 โ 1 ) \lim_{x \to 3} (x^2 - 1) lim x โ 3 โ ( x 2 โ 1 ) = ?
2) lim โก x โ 4 x \lim_{x \to 4} \sqrt{x} = ?
Part 2: Limit Notation ๐งฎ Limit Laws
Part 2 of 7
Basic Limit Laws
If lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L and lim โก x โ c g ( x ) = M \lim_{x \to c} g(x) = M :
Part 3: One-Sided Limits ๐ง Algebraic Limit Techniques
Part 3 of 7
When Direct Substitution Gives 0 / 0 0/0 0/0
0 / 0 0/0 0/0 is indeterminate โ the limit could be any value. We need algebraic manipulation.
Technique 1: Factor and Cancel
lim โก x โ 3 x 2 โ 9 x โ 3 = lim โก ( x โ 3 ) ( x + 3 ) x โ 3 = lim โก ( x + 3 ) = 6 \lim_{x \to 3} \frac{x^2-9}{x-3} = \lim \frac{(x-3)(x+3)}{x-3} = \lim(x+3) = 6
Part 4: Limits at Infinity โพ๏ธ Limits at Infinity
Part 4 of 7
What Happens as x โ โ x \to \infty x โ โ ?
lim โก x โ โ f ( x ) = L \lim_{x \to \infty} f(x) = L lim x โ โ โ f ( x ) =
Part 5: Evaluating Limits ๐ Limits from Graphs
Part 5 of 7
Reading Limits Graphically
Look at where the function HEADS , not where it IS.
Key Scenarios
Graph Feature Limit Continuous at c c c lim โก = f ( c ) \lim = f(c) lim = f ( c ) Hole at c c c exists (approach value) but may differ
Part 6: Problem-Solving Workshop ๐ฏ The Formal Definition of a Limit
Part 6 of 7
Epsilon-Delta Intuition
The formal statement of lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L :
For every ฮต > 0 \varepsilon > 0 ฮต , there exists such that if , then .
Part 7: Review & Applications ๐ Limits โ Complete Synthesis
Part 7 of 7
The Limit Evaluation Decision Tree
Given: Find lim f(x) as xโc
โ
โโ Direct Substitution โ works? โ DONE
โ
โโ 0/0 form? (Indeterminate)
โ โโ Factor & cancel
โ โโ Rationalize (conjugate)
โ โโ Special trig limits
โ โโ L'Hรดpital's Rule (calculus)
โ
โโ k/0 form (kโ 0)?
โ โโ Check signs โ ยฑโ or DNE
โ
โโ x โ ยฑโ?
โ โโ Compare degrees
โ โโ Divide by highest power of x
โ โโ Rationalize if radicals
โ
โโ Piecewise / graph?
โโ Check one-sided limits
Master Technique Reference
Algebraic Techniques Summary
Technique When to Use Example Direct Sub Always try first lim โก x โ 2 ( 3 x ) = 6 \lim_{x \to 2}(3x) = 6 lim x โ 2 โ
x +
1
โ
f
(
x
)
=
2
x x x 0.9 0.99 0.999 โ 1 โ 1.001 1.01 1.1
f ( x ) f(x) f ( x ) 1.9 1.99 1.999 ? 2.001 2.01 2.1
Both sides approach 2 . โ
When Sides Disagree g ( x ) = { x + 1 x < 2 x + 3 x โฅ 2 g(x) = \begin{cases} x+1 & x < 2 \\ x+3 & x \geq 2 \end{cases} g ( x ) = { x + 1 x + 3 โ x < 2 x โฅ 2 โ
From left: g ( x ) โ 3 g(x) \to 3 g ( x ) โ 3 . From right: g ( x ) โ 5 g(x) \to 5 g ( x ) โ 5 .
Since 3 โ 5 3 \neq 5 3 ๎ = 5 , the limit does not exist at x = 2 x = 2 x = 2 .
๐ก Both one-sided limits must agree for the (two-sided) limit to exist.
x
less than
Right-Hand Limit (from above) lim โก x โ c + f ( x ) = L \lim_{x \to c^+} f(x) = L lim x โ c + โ f ( x ) = L
x x x approaches c c c from values greater than c c c .
The Connection lim โก x โ c f ( x ) = L โ
โ โบ โ
โ lim โก x โ c โ f ( x ) = lim โก x โ c + f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L \iff \lim_{x \to c^-} f(x) = \lim_{x \to c^+} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L โบ lim x โ c โ โ f ( x ) = lim x โ c + โ f ( x ) = L
Example h ( x ) = โฃ x โฃ / x h(x) = |x|/x h ( x ) = โฃ x โฃ/ x
lim โก x โ 0 โ = โ 1 \lim_{x \to 0^-} = -1 lim x โ 0 โ โ = โ 1 (negative values)
lim โก x โ 0 + = 1 \lim_{x \to 0^+} = 1 lim x โ 0 + โ = 1 (positive values)
lim โก x โ 0 \lim_{x \to 0} lim x โ 0 โ DNE (they disagree)
3) lim โก x โ 1 x 2 โ 1 x โ 1 \lim_{x \to 1} \frac{x^2-1}{x-1} lim x โ 1 โ x โ 1 x 2 โ 1 โ = ?
lim x โ c โ
g
(
x
)
=
M
Law Formula Sum lim โก [ f + g ] = L + M \lim [f+g] = L+M lim [ f + g ] = L + M Difference lim โก [ f โ g ] = L โ M \lim [f-g] = L-M lim [ f โ g ] = L โ M Product lim โก [ f โ
g ] = L โ
M \lim [f \cdot g] = L \cdot M lim [ f โ
g ] = L โ
M Quotient lim โก [ f / g ] = L / M \lim [f/g] = L/M lim [ f / g ] = L / M (if M โ 0 M \neq 0 M ๎ = 0 )Constant lim โก [ k f ] = k L \lim [kf] = kL lim [ k f ] = k L Power lim โก [ f n ] = L n \lim [f^n] = L^n lim [ f n ] = L n Root lim โก [ f n ] = L n \lim [\sqrt[n]{f}] = \sqrt[n]{L} lim [ n f โ ] =
Direct Substitution For polynomials and rational functions (where defined):
lim โก x โ c p ( x ) = p ( c ) \lim_{x \to c} p(x) = p(c) lim x โ c โ p ( x ) = p ( c )
Just plug in! This works for any continuous function.
๐ Using the Laws
Example 1: Sum and Power
lim โก x โ 2 ( x 3 + 4 x ) = 2 3 + 4 ( 2 ) = 8 + 8 = 16 \lim_{x \to 2} (x^3 + 4x) = 2^3 + 4(2) = 8 + 8 = 16 lim x โ 2 โ ( x 3 + 4 x ) = 2 3 + 4 ( 2 ) = 8 + 8 = 16
Example 2: Quotient
lim โก x โ 3 x 2 + 1 x โ 1 = 9 + 1 3 โ 1 = 10 2 = 5 \lim_{x \to 3} \frac{x^2+1}{x-1} = \frac{9+1}{3-1} = \frac{10}{2} = 5 lim x โ 3 โ x โ 1 x
Example 3: Root Law
lim โก x โ 9 x + 7 = 9 + 7 = 16 = 4 \lim_{x \to 9} \sqrt{x+7} = \sqrt{9+7} = \sqrt{16} = 4 lim x โ 9 โ x + 7 โ
Example 4: Combined Laws
lim โก x โ 1 ( 2 x + 1 ) 3 x + 3 = ( 3 ) 3 4 = 27 2 \lim_{x \to 1} \frac{(2x+1)^3}{\sqrt{x+3}} = \frac{(3)^3}{\sqrt{4}} = \frac{27}{2} lim x โ 1 โ x + 3
๐ก Direct substitution is the first thing to try. Only use algebraic techniques when substitution gives 0 / 0 0/0 0/0 .
๐ค The Squeeze Theorem
Statement
If g ( x ) โค f ( x ) โค h ( x ) g(x) \leq f(x) \leq h(x) g ( x ) โค f ( x ) โค h ( x ) near x = c x = c x = c , and
lim โก x โ c g ( x ) = lim โก x โ c h ( x ) = L \lim_{x \to c} g(x) = \lim_{x \to c} h(x) = L lim x โ c โ g ( x ) = lim x โ c โ h ( x ) = L
then lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L .
Classic Example
lim โก x โ 0 x 2 sin โก ( 1 / x ) \lim_{x \to 0} x^2 \sin(1/x) lim x โ 0 โ x 2 sin ( 1/ x )
We know โ 1 โค sin โก ( 1 / x ) โค 1 -1 \leq \sin(1/x) \leq 1 โ 1 โค sin ( 1/ x ) โค 1 , so:
โ x 2 โค x 2 sin โก ( 1 / x ) โค x 2 -x^2 \leq x^2 \sin(1/x) \leq x^2 โ x 2 โค x 2 sin ( 1/ x ) โค x 2
Since lim โก x โ 0 ( โ x 2 ) = 0 \lim_{x \to 0} (-x^2) = 0 lim x โ 0 โ ( โ x 2 ) = 0 and lim โก x โ 0 x 2 = 0 \lim_{x \to 0} x^2 = 0 lim :
lim โก x โ 0 x 2 sin โก ( 1 / x ) = 0 \lim_{x \to 0} x^2 \sin(1/x) = 0 lim x โ 0 โ x 2 sin ( 1/ x ) = 0
Squeezed between two functions that both go to 0!
Apply Limit Laws ๐งฎ
1) lim โก x โ โ 1 ( 2 x 3 + 5 ) \lim_{x \to -1} (2x^3 + 5) lim x โ โ 1 โ ( 2 x 3 + 5 ) = ?
2) lim โก x โ 5 x + 1 x โ 3 \lim_{x \to 5} \frac{x+1}{x-3} lim x โ 5 โ x โ 3 x + 1 โ = ?
3) lim โก x โ 0 4 โ x \lim_{x \to 0} \sqrt{4-x} lim x โ 0 โ 4 โ x โ = ?
lim x โ 3 โ x โ 3 x 2 โ 9 โ =
lim x โ 3 ( x โ 3 ) ( x + 3 ) โ =
lim ( x +
3 ) =
6
Technique 2: Rationalize (Multiply by Conjugate) lim โก x โ 0 x + 4 โ 2 x \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x+4}-2}{x} lim x โ 0 โ x x + 4 โ โ 2 โ
Multiply by x + 4 + 2 x + 4 + 2 \frac{\sqrt{x+4}+2}{\sqrt{x+4}+2} x + 4 โ + 2 x + 4 โ + 2 โ :
= lim โก ( x + 4 ) โ 4 x ( x + 4 + 2 ) = lim โก x x ( x + 4 + 2 ) = lim โก 1 x + 4 + 2 = 1 4 = \lim \frac{(x+4)-4}{x(\sqrt{x+4}+2)} = \lim \frac{x}{x(\sqrt{x+4}+2)} = \lim \frac{1}{\sqrt{x+4}+2} = \frac{1}{4} = lim x ( x + 4 โ + 2 ) ( x + 4 ) โ 4 โ = lim x ( x + 4 โ + 2 ) x โ = lim x + 4 โ + 2 1 โ = 4 1 โ
๐ More Techniques
Technique 3: Common Denominator
lim โก x โ 0 1 x + 2 โ 1 2 x \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{x+2}-\frac{1}{2}}{x} lim x โ 0 โ x x + 2 1 โ โ 2 1 โ โ
Combine fractions in numerator:
= lim โก 2 โ ( x + 2 ) 2 ( x + 2 ) x = lim โก โ x 2 x ( x + 2 ) = lim โก โ 1 2 ( x + 2 ) = โ 1 4 = \lim \frac{\frac{2-(x+2)}{2(x+2)}}{x} = \lim \frac{-x}{2x(x+2)} = \lim \frac{-1}{2(x+2)} = -\frac{1}{4} = lim x
Technique 4: Factor Higher-Degree Polynomials
lim โก x โ 2 x 3 โ 8 x โ 2 = lim โก ( x โ 2 ) ( x 2 + 2 x + 4 ) x โ 2 = 4 + 4 + 4 = 12 \lim_{x \to 2} \frac{x^3-8}{x-2} = \lim \frac{(x-2)(x^2+2x+4)}{x-2} = 4+4+4 = 12 lim x โ 2 โ x โ 2
Recall: a 3 โ b 3 = ( a โ b ) ( a 2 + a b + b 2 ) a^3-b^3 = (a-b)(a^2+ab+b^2) a 3 โ b 3 = ( a โ b ) ( a
Decision Tree
Try direct substitution
If 0 / 0 0/0 0/0 : factor, rationalize, or simplify
If k / 0 k/0 k /0 (k โ 0 k \neq 0 k ๎ = 0 ): limit is ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ or DNE
๐ Special Trig Limits
The Two Famous Limits
lim โก x โ 0 sin โก x x = 1 lim โก x โ 0 1 โ cos โก x x = 0 \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 \qquad \lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x} = 0 lim x โ 0 โ x s i n x โ = 1 lim x โ 0 โ x 1 โ c o s x โ = 0
Using Them
lim โก x โ 0 sin โก ( 3 x ) x = lim โก sin โก ( 3 x ) 3 x โ
3 = 1 โ
3 = 3 \lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x} = \lim \frac{\sin(3x)}{3x} \cdot 3 = 1 \cdot 3 = 3 lim x โ 0 โ x s i n
lim โก x โ 0 tan โก x x = lim โก sin โก x x โ
1 cos โก x = 1 โ
1 = 1 \lim_{x \to 0} \frac{\tan x}{x} = \lim \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{1}{\cos x} = 1 \cdot 1 = 1 lim x โ 0 โ x t a n x
lim โก x โ 0 sin โก ( 5 x ) sin โก ( 3 x ) = lim โก sin โก ( 5 x ) 5 x โ
3 x sin โก ( 3 x ) โ
5 3 = 1 โ
1 โ
5 3 = 5 3 \lim_{x \to 0} \frac{\sin(5x)}{\sin(3x)} = \lim \frac{\sin(5x)}{5x} \cdot \frac{3x}{\sin(3x)} \cdot \frac{5}{3} = 1 \cdot 1 \cdot \frac{5}{3} = \frac{5}{3} lim x โ 0 โ
๐ก The key: make the argument of sin match the denominator.
Algebraic Techniques Quiz ๐ฏ
Evaluate ๐งฎ
1) lim โก x โ 5 x 2 โ 25 x โ 5 \lim_{x \to 5} \frac{x^2-25}{x-5} lim x โ 5 โ x โ 5 x 2 โ 25 โ = ?
2) lim โก x โ 0 sin โก ( 4 x ) 2 x \lim_{x \to 0} \frac{\sin(4x)}{2x} lim x โ 0 โ 2 x s i n ( 4 x ) โ = ?
3) lim โก x โ 1 x 3 โ 1 x โ 1 \lim_{x \to 1} \frac{x^3-1}{x-1} lim x โ 1 โ x โ 1 x 3 โ 1 = ?
L
The function approaches a horizontal asymptote at y = L y = L y = L .
Rational Functions: Degree Comparison lim โก x โ โ a n x n + โฆ b m x m + โฆ \lim_{x \to \infty} \frac{a_nx^n + \ldots}{b_mx^m + \ldots} lim x โ โ โ b m โ x m + โฆ a n โ x n + โฆ โ
Degrees Limit Asymptote n < m n < m n < m 0 0 0 y = 0 y = 0 y = 0 n = m n = m n = m a n / b m a_n/b_m a n โ / b m โ y = a n / b m y = a_n/b_m y = a n โ / b m โ n > m n > m n > m ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ None (horizontal)
Examples lim โก x โ โ 3 x 2 + 1 5 x 2 โ 2 = 3 5 \lim_{x \to \infty} \frac{3x^2+1}{5x^2-2} = \frac{3}{5} lim x โ โ โ 5 x 2 โ 2 3 x 2 + 1 โ = 5 3 โ
lim โก x โ โ x + 1 x 3 = 0 \lim_{x \to \infty} \frac{x+1}{x^3} = 0 lim x โ โ โ x 3 x + 1 โ = 0
lim โก x โ โ x 3 2 x + 1 = โ \lim_{x \to \infty} \frac{x^3}{2x+1} = \infty lim x โ โ โ 2 x + 1 x 3 โ = โ
๐ง The Divide-by-Highest-Power Technique
Standard Method
lim โก x โ โ 3 x 2 โ x + 4 2 x 2 + 5 x โ 1 \lim_{x \to \infty} \frac{3x^2-x+4}{2x^2+5x-1} lim x โ โ โ 2 x 2 + 5 x โ 1 3 x 2 โ x + 4 โ
Divide every term by x 2 x^2 x 2 :
= lim โก x โ โ 3 โ 1 x + 4 x 2 2 + 5 x โ 1 x 2 = 3 โ 0 + 0 2 + 0 โ 0 = 3 2 = \lim_{x \to \infty} \frac{3-\frac{1}{x}+\frac{4}{x^2}}{2+\frac{5}{x}-\frac{1}{x^2}} = \frac{3-0+0}{2+0-0} = \frac{3}{2} = lim x โ โ โ 2 +
Key Fact Used
lim โก x โ โ k x n = 0 ( n > 0 ) \lim_{x \to \infty} \frac{k}{x^n} = 0 \quad (n > 0) lim x โ โ โ x n k โ
Non-Rational Functions
lim โก x โ โ 4 x 2 + 1 x = lim โก 4 x 2 + 1 x = lim โก 4 x 2 + 1 x 2 = 4 = 2 \lim_{x \to \infty} \frac{\sqrt{4x^2+1}}{x} = \lim \frac{\sqrt{4x^2+1}}{x} = \lim \sqrt{\frac{4x^2+1}{x^2}} = \sqrt{4} = 2 lim x โ โ โ x
๐ก For x โ โ โ x \to -\infty x โ โ โ , be careful: x 2 = โฃ x โฃ = โ x \sqrt{x^2} = |x| = -x x 2 when !
๐ Infinite Limits (Vertical Asymptotes)
lim โก x โ c f ( x ) = ยฑ โ \lim_{x \to c} f(x) = \pm\infty lim x โ c โ f ( x ) = ยฑ โ
This is not a real limit (โ is not a number), but we use the notation.
Finding Vertical Asymptotes
f ( x ) = 1 ( x โ 2 ) 2 f(x) = \frac{1}{(x-2)^2} f ( x ) = ( x โ 2 ) 2 1 โ
As x โ 2 x \to 2 x โ 2 : denominator โ 0 + 0^+ 0 + , numerator โ 1 1 1 .
lim โก x โ 2 1 ( x โ 2 ) 2 = + โ \lim_{x \to 2} \frac{1}{(x-2)^2} = +\infty lim x โ 2 โ ( x โ 2 ) 2
Sign Analysis
g ( x ) = 1 x โ 3 g(x) = \frac{1}{x-3} g ( x ) = x โ 3 1 โ
lim โก x โ 3 + = + โ \lim_{x \to 3^+} = +\infty lim x โ 3 + โ = + โ (denominator is small and positive)
lim โก x โ 3 โ = โ โ \lim_{x \to 3^-} = -\infty lim (denominator is small and negative)
Connection
Horizontal asymptote: limit at infinity = finite
Vertical asymptote: limit at finite point = infinity
Limits at Infinity Quiz ๐ฏ
Evaluate ๐งฎ
1) lim โก x โ โ 7 x 3 x 3 + x \lim_{x \to \infty} \frac{7x^3}{x^3+x} lim x โ โ โ x 3 + x 7 x 3 โ : leading coefficient ratio = ?
2) lim โก x โ โ 2 x + 5 x 2 \lim_{x \to \infty} \frac{2x+5}{x^2} lim x โ โ โ x 2 2 x + 5 โ = ? (enter 0 for zero)
3) The horizontal asymptote of y = 4 x โ 1 2 x + 3 y = \frac{4x-1}{2x+3} y = 2 x + 3 4 x โ 1 โ is y y y = ?
Jump at c c c Left โ right โ DNE
Vertical asymptote ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ (not a finite limit)
Oscillation DNE (no single value approached)
Example: Function with a Hole If the graph approaches y = 3 y=3 y = 3 from both sides at x = 2 x=2 x = 2 , but there's an open circle at ( 2 , 3 ) (2,3) ( 2 , 3 ) and a dot at ( 2 , 5 ) (2,5) ( 2 , 5 ) :
lim โก x โ 2 f ( x ) = 3 but f ( 2 ) = 5 \lim_{x \to 2} f(x) = 3 \quad \text{but} \quad f(2) = 5 lim x โ 2 โ f ( x ) = 3 but f ( 2 ) = 5
The limit and function value disagree โ this is a removable discontinuity.
๐ Graph Reading Practice
Piecewise Example
Imagine a graph where:
For x < 1 x < 1 x < 1 : the curve approaches y = 4 y = 4 y = 4
For x > 1 x > 1 x > 1 : the curve approaches y = 4 y = 4 y = 4
At x = 1 x = 1 x = 1 : there's a filled dot at ( 1 , 2 ) (1, 2) ( 1 , 2 )
Then:
lim โก x โ 1 โ f ( x ) = 4 \lim_{x \to 1^-} f(x) = 4 lim x โ 1 โ โ f ( x ) = 4
lim โก x โ 1 + f ( x ) = 4 \lim_{x \to 1^+} f(x) = 4
Vertical Asymptote Example
Near x = 3 x = 3 x = 3 :
From left: graph shoots up to + โ +\infty + โ
From right: graph shoots down to โ โ -\infty โ โ
Then: lim โก x โ 3 โ = + โ \lim_{x \to 3^-} = +\infty lim x โ 3 โ โ = + โ , lim โก x โ 3 + = โ โ \lim_{x \to 3^+} = -\infty lim , DNE.
๐ End Behavior from Graphs
Horizontal Asymptotes
If the graph levels off at y = 2 y = 2 y = 2 as x โ โ x \to \infty x โ โ :
lim โก x โ โ f ( x ) = 2 \lim_{x \to \infty} f(x) = 2 lim x โ โ โ f ( x ) = 2
Different Behavior at ยฑ โ \pm\infty ยฑ โ
Some functions (like arctan โก x \arctan x arctan x ) have two horizontal asymptotes:
lim โก x โ โ arctan โก x = ฯ / 2 \lim_{x \to \infty} \arctan x = \pi/2 lim x โ โ โ arctan x = ฯ /2
lim โก x โ โ โ arctan โก x = โ ฯ / 2 \lim_{x \to -\infty} \arctan x = -\pi/2 lim
Common Mistakes
โ Confusing the limit (where the graph heads) with the function value (where the dot is)
โ Saying the limit is โ \infty โ when it should be DNE (e.g., when one-sided limits are + โ +\infty + โ and โ โ -\infty โ โ )
โ Ignoring the difference between open circles (excluded) and closed circles (included)
From the description : Graph has f ( 2 ) = 7 f(2) = 7 f ( 2 ) = 7 , approaches y = 3 y=3 y = 3 from both sides as x โ 2 x \to 2 x โ 2 .
1) lim โก x โ 2 โ f ( x ) \lim_{x \to 2^-} f(x) lim x โ 2 โ โ f ( x ) = ?
2) lim โก x โ 2 f ( x ) \lim_{x \to 2} f(x) lim x โ 2 โ f ( x ) = ?
3) f ( 2 ) f(2) f ( 2 ) = ?
>
0
0 < โฃ x โ c โฃ < ฮด 0 < |x - c| < \delta 0 < โฃ x โ c โฃ < ฮด โฃ f ( x ) โ L โฃ < ฮต |f(x) - L| < \varepsilon โฃ f ( x ) โ L โฃ < ฮต
What This Means in Plain English Symbol Meaning ฮต \varepsilon ฮต ("epsilon")How close f ( x ) f(x) f ( x ) must be to L L L ฮด \delta ฮด ("delta")How close x x x must be to c c c $0 < x-c
Translation : "Make f ( x ) f(x) f ( x ) as close to L L L as you want โ I can make it happen by choosing x x x close enough to c c c ."
Worked Examples
Example 1: Prove lim โก x โ 3 ( 2 x + 1 ) = 7 \lim_{x \to 3}(2x+1) = 7 lim x โ 3 โ ( 2 x + 1 ) = 7
Need: โฃ f ( x ) โ L โฃ < ฮต |f(x) - L| < \varepsilon โฃ f ( x ) โ L โฃ < ฮต when 0 < โฃ x โ c โฃ < ฮด 0 < |x - c| < \delta 0 < โฃ x โ c โฃ < ฮด .
โฃ ( 2 x + 1 ) โ 7 โฃ = โฃ 2 x โ 6 โฃ = 2 โฃ x โ 3 โฃ |(2x+1) - 7| = |2x - 6| = 2|x - 3| โฃ ( 2 x + 1 ) โ 7โฃ = โฃ2 x โ 6โฃ = 2โฃ x โ 3โฃ
We need 2 โฃ x โ 3 โฃ < ฮต 2|x-3| < \varepsilon 2โฃ x โ 3โฃ < ฮต , so โฃ x โ 3 โฃ < ฮต / 2 |x-3| < \varepsilon/2 โฃ x โ 3โฃ < ฮต /2 .
Choose ฮด = ฮต / 2 \delta = \varepsilon/2 ฮด = ฮต /2 . Then if โฃ x โ 3 โฃ < ฮด |x-3| < \delta โฃ x โ 3โฃ < ฮด :
โฃ ( 2 x + 1 ) โ 7 โฃ = 2 โฃ x โ 3 โฃ < 2 ฮด = 2 โ
ฮต 2 = ฮต โ
โ
Example 2: Prove lim โก x โ 1 ( x 2 ) = 1 \lim_{x \to 1}(x^2) = 1 lim x โ 1 โ ( x 2 ) = 1
โฃ x 2 โ 1 โฃ = โฃ x โ 1 โฃ โฃ x + 1 โฃ |x^2 - 1| = |x-1||x+1| โฃ x 2 โ 1โฃ = โฃ x โ 1โฃโฃ x + 1โฃ
Near x = 1 x=1 x = 1 , if โฃ x โ 1 โฃ < 1 |x-1| < 1 โฃ x โ 1โฃ < 1 , then 0 < x < 2 0 < x < 2 0 < x < 2 , so .
Thus โฃ x 2 โ 1 โฃ < 3 โฃ x โ 1 โฃ |x^2-1| < 3|x-1| โฃ x 2 โ 1โฃ < 3โฃ x โ 1โฃ . Choose ฮด = min โก ( 1 , ฮต / 3 ) \delta = \min(1, \varepsilon/3) ฮด = .
The Intermediate Value Theorem โ Preview
Statement
If f f f is continuous on [ a , b ] [a,b] [ a , b ] and N N N is between f ( a ) f(a) f ( a ) and f ( b ) f(b) f ( b ) , then there exists c โ ( a , b ) c \in (a,b) c โ ( a , b ) with f ( c ) = N f(c) = N f ( c ) = N .
What It Says Intuitively
A continuous function can't skip values โ it must hit every y y y -value between its endpoints.
Classic Application: Proving a Root Exists
To show x 3 โ x โ 1 = 0 x^3 - x - 1 = 0 x 3 โ x โ 1 = 0 has a solution in [ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] :
f ( 1 ) = 1 โ 1 โ 1 = โ 1 < 0 f(1) = 1 - 1 - 1 = -1 < 0 f ( 1 ) = 1 โ 1 โ 1 = โ 1 < 0
f ( 2 ) = 8 โ 2 โ 1 = 5 > 0 f(2) = 8 - 2 - 1 = 5 > 0
Since f f f is continuous and changes sign, IVT guarantees some c โ ( 1 , 2 ) c \in (1,2) c โ ( 1 , 2 ) with f ( c ) = 0 f(c) = 0 f ( c ) = 0 .
Why This Matters for Calculus
IVT is used to prove the Extreme Value Theorem and the Mean Value Theorem : the pillars of differential calculus.
Find the delta:
1) For lim โก x โ 5 ( 3 x ) = 15 \lim_{x \to 5}(3x) = 15 lim x โ 5 โ ( 3 x ) = 15 , if ฮต = 0.06 \varepsilon = 0.06 ฮต = 0.06 , ฮด \delta ฮด = ?
2) For lim โก x โ 2 ( 4 x โ 1 ) = 7 \lim_{x \to 2}(4x-1) = 7 lim x โ 2 โ ( 4 x โ 1 ) = 7 , if ฮต = 0.04 \varepsilon = 0.04 ฮต = 0.04 , = ?
3) f ( 1 ) = โ 2 , f ( 3 ) = 4 f(1)=-2, f(3)=4 f ( 1 ) = โ 2 , f ( 3 ) = 4 , f f f continuous. IVT guarantees a root in ( a , b ) (a,b) ( a , . What is ?
(
3
x
)
=
6
Factor/Cancel 0 / 0 0/0 0/0 with polynomialsx 2 โ 4 x โ 2 = x + 2 \frac{x^2-4}{x-2} = x+2 x โ 2 x 2 โ 4 โ = x + 2
Conjugate 0 / 0 0/0 0/0 with radicalsx โ 2 x โ 4 \frac{\sqrt{x}-2}{x-4} x โ 4 x โ โ 2 โ
Trig Identity 0 / 0 0/0 0/0 with trigsin โก x x โ 1 \frac{\sin x}{x} \to 1 x s i n x โ โ 1
Degree Rules x โ ยฑ โ x \to \pm\infty x โ ยฑ โ 3 x 2 5 x 2 + 1 โ 3 / 5 \frac{3x^2}{5x^2+1} \to 3/5 5 x 2 + 1 3 x 2 โ โ 3/5
Squeeze Bounded ร vanishing x sin โก ( 1 / x ) โ 0 x\sin(1/x) \to 0 x sin ( 1/ x ) โ 0
One-sided vs Two-sided lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L exists iff lim โก x โ c โ f ( x ) = lim โก x โ c + f ( x ) = L \lim_{x \to c^-} f(x) = \lim_{x \to c^+} f(x) = L lim x โ c โ โ f ( x ) = lim x โ c + โ f ( x ) = L .
Key Special Limits lim โก x โ 0 sin โก x x = 1 , lim โก x โ 0 1 โ cos โก x x = 0 , lim โก x โ 0 e x โ 1 x = 1 \lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1, \quad \lim_{x \to 0}\frac{1-\cos x}{x} = 0, \quad \lim_{x \to 0}\frac{e^x - 1}{x} = 1 lim x โ 0 โ x s i n x โ = 1 , lim x โ 0 โ x 1 โ c o s x โ = 0 , lim x โ 0 โ x e x โ 1 โ = 1
Bridge to Calculus
Limits โ Derivatives
The derivative is DEFINED as a limit:
f โฒ ( x ) = lim โก h โ 0 f ( x + h ) โ f ( x ) h f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} f โฒ ( x ) = lim h โ 0 โ h f ( x + h ) โ f ( x ) โ
Every technique you've learned for evaluating limits directly applies to computing derivatives from the definition. The 0 / 0 0/0 0/0 form is the essential challenge.
Limits โ Integrals
The definite integral is DEFINED as a limit of Riemann sums:
โซ a b f ( x ) โ d x = lim โก n โ โ โ i = 1 n f ( x i โ ) ฮ x \int_a^b f(x)\,dx = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i^*)\Delta x โซ a b โ f ( x ) d x = lim
Limits at infinity power integral computation.
IVT โ MVT โ FTC
The Intermediate Value Theorem (IVT) leads to the Mean Value Theorem (MVT), which leads to the Fundamental Theorem of Calculus (FTC) โ the crown jewel linking derivatives and integrals.
Mixed Limit Evaluation:
1) lim โก x โ 3 x 2 โ 9 x โ 3 \lim_{x \to 3}\frac{x^2 - 9}{x - 3} lim x โ 3 โ x โ 3 x 2 โ 9 โ = ?
2) lim โก x โ โ 4 x + 1 2 x โ 3 \lim_{x \to \infty}\frac{4x + 1}{2x - 3} lim x โ โ โ 2 x โ 3 4 x + 1 โ = ?
3) lim โก x โ 0 sin โก ( 5 x ) x \lim_{x \to 0}\frac{\sin(5x)}{x} lim x โ 0 โ x s i n ( 5 x ) โ = ?
n
2
+
1
โ
=
3 โ 1 9 + 1 โ =
2 10 โ =
5
=
4
โ
( 2 x + 1 ) 3
โ
=
2 27 โ
x โ 0 โ
x 2
=
0
2 ( x + 2 )
2 โ ( x + 2 )
โ
โ
=
lim 2 x ( x + 2 ) โ x โ =
lim 2 ( x + 2 ) โ 1 โ =
โ 4 1 โ
x 3 โ 8
โ
=
lim x โ 2 ( x โ 2 ) ( x 2 + 2 x + 4 ) โ =
4 +
4 +
4 =
12
2
+
ab +
b 2 )
(
3
x
)
โ
=
lim 3 x s i n ( 3 x ) โ โ
3 =
1 โ
3 =
3
โ
=
lim x s i n x โ โ
c o s x 1 โ =
1 โ
1 =
1
s i n ( 3 x )
s i n ( 5 x )
โ
=
lim 5 x s i n ( 5 x ) โ โ
s i n ( 3 x ) 3 x โ โ
3 5 โ =
1 โ
1 โ
3 5 โ =
3 5 โ
โ
x 5 โ
โ
x 2 1 โ
3 โ x 1 โ + x 2 4 โ
โ
=
2 + 0 โ 0 3 โ 0 + 0 โ =
2 3 โ
=
0 ( n >
0 )
โ
=
2
โ
=
โฃ x โฃ =
โ x
1
โ
=
+ โ
x โ 3 โ โ
=
โ โ
lim โก x โ 3 \lim_{x \to 3} lim x โ 3 โ DNE (one-sided limits disagree in sign)
lim x โ 1 + โ f ( x ) = 4
lim โก x โ 1 f ( x ) = 4 \lim_{x \to 1} f(x) = 4 lim x โ 1 โ f ( x ) = 4 โ (both sides agree)f ( 1 ) = 2 f(1) = 2 f ( 1 ) = 2 (actual value)x โ 3 +
โ
=
โ โ
lim โก x โ 3 \lim_{x \to 3} lim x โ 3 โ x โ โ โ โ
arctan
x
=
โ ฯ /2
โ |(2x+1) - 7| = 2|x-3| < 2\delta = 2 \cdot \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon \; โ โฃ ( 2 x + 1 ) โ 7โฃ = 2โฃ x โ 3โฃ < 2 ฮด = 2 โ
2 ฮต โ = ฮต โ
โฃ x + 1 โฃ < 3 |x+1| < 3 โฃ x + 1โฃ < 3
min
(
1
,
ฮต
/3
)
f
(
2
)
=
8 โ
2 โ
1 =
5 >
0
ฮด
b
)
n โ โ
โ
โ i = 1 n โ
f
(
x i โ โ
)
ฮ
x