170 limite continuidad.

Univ. de Alcalá de Henares Ingenier´ıa de Telecomunicación
Cálculo. Segundo parcial. Curso 2004-2005
L´ımites y continuidad
1. L´ımite de funciones de dos variables
Hasta ahora hemos evitado entrar en la cuestión de qué significa el s´ımbolo
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
que aparece en la noción de diferenciabilidad,porque no quer´ıamos que los detalles técnicos de
la definición de l´ımite oscurecieran la discusión sobre la diferenciabilidad. Pero ha llegado el
momento en que no podemos demorar más esa cuestión. Por esa razón esta sección se dedica a
la definición y cálculo de l´ımites en funciones de dos variables, con la vista puesta en nuestro
objetivo de entender plenamente la definición de diferenciabilidad.
Basándonos en lo que hemos aprendido en el cálculo de una variable, está bastante claro lo
que queremos decir cuando escribimos
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
f(x, y) = L
Cuando decimos que el l´ımite de f en (x0, y0) es L, estamos diciendo que si se calcula f en un
punto (x, y) cercano a (x0, y0), se obtendrá un valor que tal vez no sea L, pero que estará muy
cerca de L. Estará tanto más cerca, cuanto más acerquemos (x, y) a (x0, y0).
Como puede verse, en esta descripción del l´ımite la idea central es la de distancia. Y además
es preciso señalar que no hay ninguna diferencia entre esta idea de l´ımite y la que se utiliza en
funciones de una variable.
Si queremos ser más precisos, y obtener una definición rigurosa, la mejor forma de pensar en
esta definición de l´ımite consiste probablemente en centrarnos en la idea de control del error: Nos
fijamos un objetivo de error máximo tolerable, dado por el número ε. Debemos pensar por tanto
que ε será un número pequeño, algo como 0,001 si deseamos cometer un error de milésimas,
o como 0,000001 si el tamaño del error máximo debe ser del orden de millonésimas. Vamos a
medir entonces el error que se comete al calcular f(x, y) en lugar de f(x0, y0), y queremos que
ese error sea menor que ε. Es decir, queremos que sea
|f(x, y) − f(x0, y0)| < ε
Naturalmente, no podemos esperar que ésto ocurra sea cual sea el valor de (x, y) que se utilice.
Para que el error sea pequeño, debemos tomar (x, y) cerca de (x0, y0). Y as´ı llegamos a la versión
casi definitiva de la definición de l´ımite:
Definición 1.1 (Definición provisional de l´ımite). Decimos que el l´ımite de f en (x0, y0) es L
si, sea cual sea el error máximo ε que hayamos fijado, se puede garantizar que se cumple
|f(x, y) − f(x0, y0)| < ε
cuando (x, y) está suficientemente cerca de (x0, y0).
1

Para convertir ésto en una definición formal debemos precisar la parte que aparece subrayada
en esta definición. ¿Cuáles son los (x, y) que están “suficientemente cerca” de (x0, y0)? Pues
todos aquellos cuya distancia a (x0, y0) es pequeña. Una forma de garantizar que esa distancia
sea pequeña es tomar un número δ, pequeño, y pedir que se cumpla
d ((x, y), (x0, y0)) < δ
Si por ejemplo tomamos δ = 0,0001, estamos pidiendo que la distancia entre (x, y) y (x0, y0) sea
menor que una diezmilésima. El número δ es la pieza que nos faltaba en nuestra definición de
l´ımite:


















Definición 1.2 (Definición de l´ımite). Decimos que el l´ımite de f en (x0, y0) es L si, sea cual
sea el error máximo ε que hayamos fijado, se puede elegir un número δ tal que, para todos los
(x, y) que cumplen
d ((x, y), (x0, y0)) < δ
se puede garantizar que se cumple
|f(x, y) − f(x0, y0)| < ε
En lenguaje formal:
∀ε > 0 ∃δ : d ((x, y), (x0, y0)) < δ ⇒ |f(x, y) − f(x0, y0)| < ε
Hay que pensar en esta definición como una especie de contrato: si tú me dices el error ε que
estás dispuesto a admitir, yo me comprometo a encontrar el δ que garantiza que si tomas (x, y)
a distancia menor que δ de (x0, y0), los valores de f(x, y) que vas a obtener se parecen al valor
f(x0, y0) con un error menor que ε.
Ejemplo 1.3. Supongamos dada la función f(x, y) = xy. Vamos a demostrar que
l´ım
(x,y)→(3,4)
f(x, y) = 12
Esto es, informalmente, que vamos a demostrar que cuando x está cerca de 3 e y está cerca
de 4, su producto está cerca de 12. ¡Menudo descubrimiento! Naturalmente, no necesitamos una
definición rigurosa de l´ımite para convencernos de una simpleza como ésta. Pero nos viene bien
un ejemplo tan sencillo como éste para ver cómo se usa la definición de l´ımite. Después nos
ocuparemos de las situaciones más complicadas, que son las que realmente nos interesan.
Para demostrar que el l´ımite es 12 tenemos que pensar que ε es un número muy pequeño
(algo como una millonésima, para fijar ideas). Y tenemos que garantizar que
A = |f(x, y) − L| = |xy − 12| < ε
Esta desigualdad es nuestro objetivo. Para conseguirlo tenemos que utilizar el hecho de que
nosotros controlamos cómo de lejos está el punto (x, y) del punto (3, 4). Es decir, que podemos
suponer que la distancia
B = (x − 3)2 + (y − 4)2
es tan pequeña como queramos. El trabajo que tenemos que hacer es demostrar que si B es muy
pequeño, entonces A es muy pequeño, más pequeño que el ε que hemos elegido.
2

Esto puede parecer al principio muy dif´ıcil porque, de hecho, la expresión de B es más
complicada que A. Pero con un poco de práctica se adquiere la habilidad necesaria. En concreto,
una de las observaciones más útiles es ésta: la distancia entre x y 3 no puede ser mayor que la
distancia de (x, y) a (3, 4). En fórmulas:
|x − 3| < (x − 3)2 + (y − 4)2
Y de la misma forma
|y − 4| < (x − 3)2 + (y − 4)2
Esto significa que si controlamos el tamaño de B, también tenemos controlado el tamaño de
|x − 3| e |y − 4|.
Otro truco estándar es el siguiente: sumamos y restamos una misma cantidad en la expresión
que nos interesa controlar para relacionarla con las cantidades que tenemos controladas. En
nuestro caso eso se hace as´ı. Queremos controlar
A = |xy − 12|
y lo que tenemos controlado es |x − 3|, |y − 4|. Pues para conseguirlo vamos a hacer que estas
dos cantidades aparezcan en A:
A = |xy − 12| = |xy − 3y + 3y − 12| = |(x − 3)y + 3(y − 4)| ≤ |y||x − 3| + 3|y − 4|
(también se podr´ıa haber sumado y restado 4x). En el último paso hemos usado la desigualdad
triangular y las propiedades del valor absoluto.
Hemos conseguido entonces controlar el tamaño de A mediante una expresión en la que
intervienen tres ingredientes:
|x − 3|, |y − 4|, |y|
Está claro que tenemos controlado el tamaño de los dos primeros. Pero el tercero, |y|, ¿está con-
trolado? A primera vista no, pero si pensamos un poco, es fácil ver que s´ı. Tenemos controlado
|y − 4|. Eso significa que y es un número no muy distinto de 4. Y por tanto el tamaño de |y| no
puede ser demasiado grande: ¡no se puede estar a la vez cerca de 4 y ser muy grande! As´ı que
parece que todos los ingredientes están controlados.
¿Cómo convertimos estas ideas en una demostración? Empezamos suponiendo que la distan-
cia B es muy pequeña. ¿Cómo de pequeña? Más pequeña que un cierto número δ, que elegiremos
astutamente dentro de un momento. Entonces, si se cumple
B = (x − 3)2 + (y − 4)2 < δ
según hemos visto, también se cumple:
|x − 3| < δ, |y − 4| < δ
Ahora vamos a controlar |y| con cuidado. La última desigualdad significa:
−δ < y − 4 < δ
Luego
4 − δ < y < 4 + δ
3

Y si δ es realmente pequeño, de hecho basta con que sea menor que 1, entonces se deduce que
3 < y < 5
Por lo que, obviamente |y| < 5. Eso significa que:
A = |xy − 12| =≤ |y||x − 3| + 3|y − 4| < 5δ + 3δ = 8δ
Este el momento de elegir δ. Nuestro objetivo inicial era demostrar que pod´ıamos conseguir que
fuese A < ε. Y hemos obtenido A < δ. Basta por lo tanto con asegurarnos de que
8δ < ε
Es decir, basta tomar δ < /8. Con un pequeño matiz: tenemos que asegurarnos de que δ sea
menor que 1, para que el control de |y| a partir de |y − 4| esté garantizado. Pero eso no supone
ningún problema, porque suponer que δ < 1 equivale a suponer que no nos alejamos de (3, 4)
más de una unidad, y eso no nos debe preocupar cuando pensamos en puntos muy cercanos a
(3, 4).
Si se lee con detenimiento lo que hemos hecho, se verá que es ésto: dado cualquier valor de ε
(¡por pequeño que sea!), nosotros tomamos δ = m´ın(1, ε/8). Y entonces decimos que si se toma
un punto (x, y) que cumpla
d((x, y), (3, 4)) = (x − 3)2 + (y − 4)2 < δ
está garantizado que se cumple
|xy − 12| < ε
Esto es precisamente lo que significa la afirmación de que
l´ım
(x,y)→(3,4)
f(x, y) = 12
Este ejemplo ilustra el tipo de técnicas que se pueden emplear para una demostración formal
directa (tipo , δ) de un l´ımite. A pesar de que la demostración puede parecer complicada, la
conclusión que quer´ıamos obtener parec´ıa evidente. El l´ımite era trivial. Si todos los problemas
que conducen a un l´ımite fueran como este ejemplo, nuestro trabajo ser´ıa muy sencillo. Pero a
menudo las cosas son más complicadas.
Ejemplo 1.4. Supongamos que estamos trabajando en algún problema en el que interviene la
función:
f(x, y) =
2 − 3x − y + x2 − y2
1 − x − y
Y que alguien nos pregunta cuánto vale la función en (1, 0). La sustitución de estos valores en
la fórmula produce una indeterminación: 0
0 . ¿Qué hay que hacer entonces?
En el cálculo de una variable aparecen ejemplos parecidos. Si tenemos la función
f(x) =
x2 − 1
x − 1
4

y alguien nos pregunta por f(1), al sustituir obtenemos 0/0. Pero claro, en ese caso se tiene
f(x) =
x2 − 1
x − 1
=
(x − 1)(x + 1)
x − 1
Y eso significa que para cualquier valor de x salvo x = 1, se tiene
f(x) = (x + 1)
No podemos usar la fórmula inicial de f para calcular f(1). Pero este cálculo significa que si
sustituimos en esa misma fórmula un valor de x muy cercano a 1 (algo como x = 0,99999)
obtendremos un valor de f muy cercano a x + 1 = 1,99999 ≈ 2. Y cuanto más se parezca x a 1,
más se parecerá f(x) a 2. Naturalmente, estamos diciendo que
l´ım
x→1
f(x) = 2
Y esa información puede ser muy útil para quien esté trabajando con la fórmula de f. Aunque
esa fórmula no produce ningún valor cuando x = 1, sabemos que sus valores cerca de ese punto
son muy parecidos a 2.
Volviendo a la función de dos variables con la que hemos empezado el ejemplo, parece razon-
able preguntarse si aqu´ı ocurre algo parecido. Es decir, nos preguntamos si existe algún valor L
tal que, cuando (x, y) está muy cerca de (1, 0), la fórmula
f(x, y) =
2 − 3x − y + x2 − y2
1 − x − y
produzca valores muy parecidos a L. Animamos al lector a tratar de averiguar cuál podr´ıa ser ese
número L. Por ejemplo, se puede usar una calculadora. Tomamos algo como x = 0,99999, y =
0,00001, y sustituimos en la expresión de f. ¿Qué valor se obtiene?
En este ejemplo nos hemos encontrado con un l´ımite que conduce a una indeterminación de
la forma 0/0. Podr´ıa pensarse que esas situaciones son artificialmente complicadas, y que en la
mayor´ıa de los casos, en los l´ımites que nos interesan, no se presentaran complicaciones como
éstas.
Nada más lejos de la realidad. Nosotros hemos llegado al estudio del l´ımite porque estábamos
tratando de entender la definición de diferenciabilidad. Y all´ı ten´ıamos
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
función − (plano tangente)
distancia entre (x, y) y (x0, y0)
= 0
Pero si la función es diferenciable, el plano tangente será una muy buena aproximación a f,
para (x, y) cerca de (x0, y0). Eso significa que la diferencia que aparece en el numerador será casi
cero. Y, por supuesto, la distancia que aparece en el denominador también estará muy cerca de
cero cuando (x, y) se acerca a (x0, y0). Es decir, que la definición de diferenciabilidad, cuando
funciona bien, ¡conduce inevitablemente a una indeterminación de la forma 0/0! La diferencia
con el ejemplo anterior es que aqu´ı sabemos cuál es la respuesta que nos gustar´ıa obtener. Para
demostrar que la función es diferenciable, debemos demostrar que la indeterminación se resuelve
y el l´ımite vale cero.
5

1.1. Analog´ıas y diferencias con los l´ımites de funciones de una variable
Hasta aqu´ı hemos discutido cuál debe ser la definición de l´ımite. Y hemos obtenido una
definición de l´ımite que coincide en lo esencial con la que el lector ya conoc´ıa del cálculo de una
variable. La única diferencia importante es el hecho de que debemos emplear la distancia del
plano para medir cómo de lejos está (x0, y0) de (x, y).
En el caso de funciones de una variable, la distancia entre un valor x y un valor x0 viene
dada por el valor absoluto de la diferencia:
|x − x0|
y la única complicación asociada a la distancia es que x puede estar a la izquierda o a la derecha
de x0. Eso obliga a considerar a veces los l´ımites laterales para establecer si existe o no el l´ımite
de la función en x0.
Al pasar a las funciones de dos variables las cosas se complican. En primer lugar porque,
como ya hemos visto, la distancia se calcula con una fórmula más complicada:
d((x, y), (x0)) = (x − x0)2 + (y − y0)2
Pero sobre todo porque la forma en la que un punto (x, y) puede acercarse al punto (x0, y0)
es mucho más complicada que en el caso unidimensional. El próximo apartado se dedicará por
completo a analizar esas complicaciones.
Operaciones con l´ımites Al igual que hemos visto en la primera parte del curso, hay una
serie de teoremas que simplifican el análisis de los l´ımites de funciones de dos variables: el l´ımite
de la suma es la suma de los l´ımites cuando estos existen, etcétera. Pero, para evitar repeticiones
tediosas, preferimos posponer la este tipo de resultados hasta la discusión de continuidad.
1.2. L´ımites por trayectorias
Antes hemos dejado pendiente un ejemplo (el 1.4) en el que nos hemos encontrado con una
indeterminación de la forma 0/0. Para simplificar el estudio del l´ımite, podemos hacer algo similar
a lo que hicimos en el caso de las derivadas parciales, tratando de reducir el número de variables
independientes. Recordemos que, entonces, para estudiar la función f(x, y) fijábamos una de
las variables, haciendo por ejemplo y = y0 y estudiábamos la función f(x, y0), que depende
únicamente de la variable x. Lo que hac´ıamos entonces se puede entender geométricamente as´ı:
hemos elegido acercarnos al punto (x0, y0) a lo largo de la recta y = y0 del plano (x, y). De la
misma forma, si consideramos la función f(x0, y) entonces podemos acercarnos al punto (x0, y0)
a lo largo de la recta x = x0. En la siguiente figura se ilustran estas dos formas de acercarnos al
punto que nos interesa, por rectas verticales y horizontales.
6

¿Qué sucede si aplicamos esta idea a nuestro ejemplo?
Ejemplo 1.5. Dada la función
f(x, y) =
2 − 3x − y + x2 − y2
1 − x − y
Nos hemos preguntado hace un rato si existe el l´ımite
l´ım
(x,y)→(1,0)
2 − 3x − y + x2 − y2
1 − x − y
Si aplicamos aqu´ı la idea que usamos en el caso de las derivadas parciales podemos hacer x = 1
y obtener:
f(1, y) =
−y − y2
−y
Y si ahora nos preguntamos por el l´ımite
l´ım
y→0
f(1, y) = l´ım
y→0
−y − y2
−y
obtendremos como respuesta 1. Recapitulando: eso significa que si nos acercamos al punto (1, 0)
a lo largo de la recta vertical x = 1 del plano, los valores de f que se obtienen son cada vez más
parecidos a 1. Y esto tiene una consecuencia evidente: el l´ımite de f si existe, sólo puede valer
1.
Es esencial darse cuenta de que no hemos demostrado la existencia del l´ımite (enseguida
veremos un ejemplo que aclara este punto). Pero ahora tenemos un candidato a ser el l´ımite, y
sabemos además que es el único candidato posible.
Si en lugar de hacer x = 1 hacemos y = 0, para aproximarnos por una recta horizontal,
obtendremos
f(x, 0) =
2 − 3x + x2
1 − x
Y al hacernos la pregunta
l´ım
x→1
f(x, 0) = l´ım
x→1
2 − 3x + x2
1 − x
obtenemos de nuevo como respuesta 1, en conformidad con nuestro anterior resultado.
7

A la vista de estos resultados podemos sospechar que en este ejemplo
l´ım
(x,y)→(1,0)
f(x, y) = 1
Animamos al lector a que intente construir una demostración formal (ε − δ) de este resultado.
El ejemplo anterior ha mostrado como utilizar los métodos del cálculo de una variable para
obtener, en los casos de indeterminación, un candidato a ser el l´ımite de la función. Y de hecho,
en ese ejemplo, el valor obtenido era realmente el l´ımite de la función. Pero no siempre es as´ı,
como se muestra en el siguiente ejemplo:
Ejemplo 1.6. Dada la función
f(x, y) =



xy
x2 + y2
(x, y) = (0, 0)
?? (x, y) = (0, 0)
si nos preguntamos por su valor cuando (x, y) se acerca a (0, 0), al sustituir en la fórmula
obtendremos 0/0. El mismo método del ejemplo anterior nos llevar´ıa a considerar las funciones



f(x, 0) =
0
x2
= 0
f(0, y) =
0
y2
= 0
as´ı que podr´ıamos sentirnos tentados a pensar que
l´ım
(x,y)→(0,0)
f(x, y) = 0
Pero supongamos que a alguien se le ocurre estudiar los valores de f en la diagonal y = x del
plano. Eso significa que debemos considerar la función:
f(x, x) =
x2
2x2
=
1
2
Es decir, que en cualquier punto de la diagonal, por cerca que estemos del origen, la función f
toma el valor 1/2. ¿Cómo podr´ıa ser entonces que el l´ımite en el origen fuese 0? La conclusión
en este caso, está clara. El l´ımite en el origen no existe: no puede ser a la vez 0 y 1/2.
De hecho, en lugar de estudiar rectas concretas que pasan por el origen, podemos considerar
la ecuación y = mx que representa un haz de rectas por el origen para distintos valores de m
(la única recta por el origen que falta en este haz es x = 0). Si estudiamos los valores de f en
los puntos de la recta y = mx obtenemos:
f(x, mx) =
mx2
x2 + m2x2
=
m
1 + m2
lo cual confirma lo que antes hab´ıamos obtenido: el resultado depende de la recta que se utilice,
y por lo tanto no existe el l´ımite.
El anterior ejemplo ilustra una de las caracter´ısticas más importantes de los l´ımites en
funciones de dos (o más) variables: el estudio de los l´ımites por trayectorias nunca sirve para
demostrar la existencia de un l´ımite, aunque puede servir para demostrar que el l´ımite no existe.
8

1.3. Es suficiente estudiar los l´ımites en el origen
En el resto de este tema nos vamos a centrar en el estudio de l´ımites en el origen; es decir,
l´ımites de la forma:
l´ım
(x,y)→(0,0)
f(x, y)
Hacer esto no supone ninguna limitación, porque se tiene el siguiente resultado:
Lema 1.7. Para estudiar el l´ımite
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
f(x, y)
se puede hacer un cambio de variable:
x = ˜x + x0
y = ˜y + y0
y considerar la función
g(˜x, ˜y) = f(˜x + x0, ˜y + y0)
Entonces se cumple que
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
f(x, y) = L si y sólo si l´ım
(˜x,˜y)→(0,0)
g(˜x, ˜y) = L
Ejemplo 1.8. Supongamos que queremos estudiar el l´ımite
l´ım
(x,y)→(1,2)
xy − 2x2 − y3 + 2y2x
y − 2x
Para hacer esto podemos hacer un cambio de variable:
x = ˜u + 1
y = ˜v + 2
Y obtener:
(u + 1)(v + 2) − 2(u + 1)2 − (v + 2)3 + 2(v + 2)2(u + 1)
(v + 2) − 2(u + 1)
=
9uv + 6u − 3v − 2u2 − v3 − 4v2 + 2v2u
v − 2u
As´ı que en lugar de estudiar el l´ımite inicial, pasamos a estudiar este l´ımite en el origen:
l´ım
(u,v)→(0,0)
9uv + 6u − 3v − 2u2 − v3 − 4v2 + 2v2u
v − 2u
Combinando estas observaciones con nuestros comentarios previos sobre el análisis del l´ımite
mediante trayectorias se obtiene este resultado:
9

Teorema 1.9. Para estudiar el l´ımite
l´ım
(x,y)→(0,0)
f(x, y)
se puede estudiar el l´ımite a lo largo de las rectas y = mx que pasan por el origen; es decir,
estudiamos:
l´ım
x→0
f(x, mx)
donde m es un parámetro. Si para algún valor de m este l´ımite no existe, o si el valor del l´ımite
depende de cuál sea el m empleado, entonces podemos asegurar que no existe el l´ımite de f en
(0, 0).
1.4. No es suficiente con estudiar las rectas por el origen
Hemos visto que, para que exista l´ımite de f en el origen, es necesario que todas las rectas
de la forma y = mx produzcan el mismo resultado cuando calculamos
l´ım
x→0
f(x, mx)
Pero no es suficiente, como muestra el siguiente ejemplo.
Ejemplo 1.10. Vamos a analizar el l´ımite en el origen de la función
f(x, y) =



yx2
x4 + y2
(x, y) = (0, 0)
0 (x, y) = (0, 0)
Podemos empezar analizando lo que ocurre al tomar las rectas y = mx que pasan por el origen.
Se obtiene:
f(x, mx) =
mx3
x4 + m2x2
=
mx
x2 + m2
y por tanto
l´ım
x→0
f(x, mx) = 0
10

independientemente de m. Por supuesto, en el haz de rectas y = mx falta la recta vertical por el
origen, de ecuación x = 0. Pero si se estudian los valores de f a lo largo de esta recta se obtiene
f(0, y) = 0
As´ı que todas las rectas por el origen producen el mismo valor, 0.
Ahora bien, además de las rectas podemos utilizar otras curvas para aproximarnos al origen.
Por ejemplo, la parábola y = x2 pasa por el origen, y tiene sentido que nos preguntemos cuáles
son los valores de f en los puntos de esa parábola, a medida que nos acercamos al origen. Eso
significa que tenemos que estudiar el l´ımite
l´ım
x→0
f(x, x2
) = l´ım
x→0
x4
2x4
=
1
2
Es decir, que en cualquier punto de la parábola, y por lo tanto, tan cerca del origen como
queramos, el valor de f es 1/2. Eso elimina la posibilidad de el l´ımite en el origen sea 0, como
parec´ıan indicar las rectas.
La siguiente figura muestra una gráfica de la función que puede ayudar a entender lo que
está ocurriendo en este ejemplo.
Como se aprecia en la figura, la imagen de la parábola y = x2 (en verde en la figura) recorre
una parte de la gráfica situada a altura constante 1/2, mientras que las imágenes de distintas
rectas por el origen son curvas que pasan a altura 0 por el origen, como hemos calculado.
Como muestra este ejemplo, incluso aunque todas las rectas produzcan el mismo valor, puede
ocurrir que una curva de otro tipo que pase por el origen (una parábola, una espiral, una curva
11

sinusoidal, etc.) nos lleve a un valor distinto. Y obviamente no podemos probar todas las curvas
imaginables. Por esa razón dec´ıamos que es inútil tratar de demostrar la existencia de un l´ımite
considerando trayectorias que pasen por el origen. Este método puede servir a lo sumo para:
1. Proponer un posible valor del l´ımite si lo desconocemos.
2. Demostrar que el l´ımite no existe, encontrando dos trayectorias que produzcan l´ımites
diferentes.
2. L´ımites y coordenadas polares
Las coordenadas polares permiten identificar un punto de coordenadas (x, y) del plano me-
diante otro par de números (r, θ), definidos mediante estas relaciones:
x = r cos θ
y = r sen θ
La geometr´ıa de las coordenadas polares se ilustra en esta figura:
de modo que, como se ve, r representa la distancia del punto (x, y) al origen. Por esa razón, si
r tiende a 0 el punto de coordenadas (r, θ) se aproxima al origen. Esa es la idea que nos lleva a
proponer el siguiente método para analizar un l´ımite en el origen.
Para estudiar la existencia del l´ımite
l´ım
x→(0,0)
f(x, y)
efectuamos el cambio a coordenadas polares y obtenemos una nueva función
F(r, θ) = f(r cos θ, r sen θ)
A continuación analizamos el l´ımite
l´ım
r→0
F(r, θ) = l´ım
r→0
f(r cos θ, r sen θ)
Lo interesante de esta idea es que de nuevo nos permite analizar el l´ımite de dos variables
mediante un l´ımite en una sola variable.
12

Pues bien, tenemos un primer resultado que, de nuevo, nos va a servir sólo para asegurar
que algunos l´ımites no existen.



Proposición 2.1. Si el l´ımite
l´ım
r→0
f(r cos θ, r sen θ)
no existe o depende de θ, podemos asegurar que f no tiene l´ımite en (0, 0).
La dificultad en el uso de las coordenadas polares estriba en que la rec´ıproca no es cierta:
aunque ese l´ımite no dependa de θ, todav´ıa puede ocurrir que el l´ımite no exista, como muestra
este ejemplo.
Ejemplo 2.2. Sea f : R2 → R definida por
f(x, y) =
x2+y2
y y = 0
0 y = 0
Cambiando a coordenadas polares, se tiene:
F(r, θ) = f(r cos θ, r sen θ) =
r2
r sen θ si θ = 0, π
0 si θ = 0, π
con lo que vemos que para cada valor fijo del ángulo θ:
l´ım
r→0
F(r, θ) =



l´ım
r→0
r2
r sen θ
= 0 si θ = 0, π
l´ım
r→0
0 si θ = 0, π
Por tanto el l´ımite en polares vale 0, independientemente del valor del ángulo θ. Podr´ıamos
pensar al llegar a esta conclusión que el l´ımite vale cero. Sin embargo, si observamos la expresión
que se ha obtenido:
r2
r sen θ
=
r
sen θ
nos daremos cuenta de que para valores del ángulo θ cercanos a 0, esta expresión no está acotada.
De hecho si consideramos la curva cuya ecuación en polares es r = θ que se ilustra en esta figura:
13

vemos que cuando nos acercamos a (0, 0) a lo largo de esa curva es:
l´ım
r→0
F(r, θ) = l´ım
r→0
r2
r sen r
= l´ım
r→0
r
sen r
= 1
lo cual contradice nuestra anterior conjetura de que el l´ımite era 0 y, de hecho, demuestra que
el l´ımite no existe.
A la vista de ejemplos como éste es natural pensar que las coordenadas polares sirven sólo
para demostrar que un l´ımite no existe, pero no para establecer su existencia. Existe sin embargo
un caso importante en el que es posible utilizarlas para demostrar la existencia del l´ımite. En
concreto, se tiene este resultado, en el que la idea clave es precisamente el control sobre la parte
de la función que depende del ángulo.

















Teorema 2.3. Supongamos que se puede descomponer la función F(r, θ) de esta forma:
F(r, θ) = h(r)G(θ)
donde además
l´ım
r→0
h(r) = 0
Entonces
l´ım
x→(0,0)
f(x, y) = 0
si y sólo si la función G(θ) está acotada en [0, 2π]
Este teorema sólo permite demostrar que un l´ımite vale 0. Pero, puesto que demostrar
l´ım
x→(0,0)
f(x, y) = L
es lo mismo que demostrar
l´ım
x→(0,0)
f(x, y) − L = 0
esto no supone una verdadera limitación.
Observación. La condición es necesaria y suficiente, as´ı que este resultado puede usarse tanto
para usar que el l´ımite existe como para probar que no existe. En el anterior ejemplo, en el que
era
G(θ) =
1
sen θ
la función G era por supuesto no acotada, como ya indicamos. Por lo tanto, el l´ımite no puede
ser cero, y en consecuencia no existe, como ya dijimos.
Veamos un par de ejemplos, en los que se emplean las coordenadas polares para estudiar la
existencia de un l´ımite:
Ejemplo 2.4.
1. Para estudiar si la función
f(x, y) =
x3
x2−y2 si x2 − y2 = 0
0 si x2 − y2 = 0
14

tiene l´ımite en (0, 0) hacemos el cambio a coordenadas polares:
F(r, θ) =
r3 cos3 θ
r2 cos2 θ − r2 sen2 θ
= r
cos3 θ
cos2 θ − sen2 θ
= h(r)G(θ)
y vemos que la función
G(θ) =
cos3 θ
cos2 θ − sen2 θ
no está acotada: para valores de θ cercanos a π/4 se obtienen valores de G arbitrariamente
grandes. Por lo tanto el l´ımite de f en el origen no existe.
2. Para estudiar el l´ımite en (0, 0) de esta función:
f(x, y) =
x|y|
√
x2+y2
si (x, y) = (0, 0)
0 si (x, y) = (0, 0)
cambiamos a coordenadas polares:
F(r, θ) =
r2 cos θ |sen θ|
r
= r cos θ |sen θ|
Y llamando h(r) = r, G(θ) = cos θ| sen θ| se tiene:
F(r, θ) = h(r)G(θ)
y puesto que la función G(θ) = cos θ| sen θ| es obviamente una función acotada, el teorema
nos permite asegurar que
l´ım
(x,y)→(0,0)
f(x, y) = 0
3. Continuidad
La definición de continuidad en un punto es una extensión natural del caso de una variable:






Definición 3.1. La función z = f(x, y) es continua en el punto (x0, y0) si
l´ım
(x,y)→(x0,y0)
f(x, y) = f(x0, y0)
Es decir, que el l´ımite y el valor en el punto existen ambos y coinciden.
La continuidad tiene las siguientes propiedades, que son también extensiones de los resultados
sobre l´ımites que ya hemos visto en el caso de una variable.












Teorema 3.2.
1. Sumas, productos: Si f, g : R2 → R son continuas en (x0, y0), entonces las funciones f ± g
y f g son continuas en (x0, y0).
2. Cocientes: Si, además, g(x0, y0) = 0, entonces f/g es continua en (x0, y0).
3. Composición: Si f : R2 → R es continua en (x0, y0) y g : R → R es continua en f(x0, y0),
entonces g ◦ f es continua en (x0, y0).
15

El teorema precedente nos dice como combinar funciones continuas para obtener nuevas
funciones continuas. Por lo tanto este resultado adquiere toda su potencia cuando se combina
con un repertorio inicial de funciones continuas suficientemente rico. Recordemos que, como
hemos visto en la primera parte del curso, todas las funciones elementales de una variable son
continuas en todos los puntos de su dominio. Además:











Proposición 3.3. Las funciones (de proyección) p1 : R2 → R y p2 : R2 → R, definidas
mediante:
p1(x, y) = x
p1(x, y) = y
son continuas en todo R2.
En consecuencia, cualquier función polinómica en las variables (x, y) es una función continua
en todo R2.
3.1. Abiertos, cerrados, fronteras
Al igual que suced´ıa en la primera parte del curso, con los teoremas de Bolzano, Weierstrass,
etcétera, la noción de continuidad se vuelve útil cuando se consideran los aspectos globales de
la continuidad. Es decir, si consideramos funciones que son continuas en todos los puntos de un
conjunto, entonces es posible extraer algunas consecuencias importantes.
Recordemos por ejemplo que el teorema de Weirstrass afirma que si f : R → R es una función
continua en todos los puntos del intervalo cerrado [a, b], entonces f alcanza un máximo y un
m´ınimo absolutos en el intervalo [a, b]. Recordemos además que el teorema es falso si el intervalo
que se considera no es cerrado y acotado. Si queremos buscar un análogo de este teorema en
el caso bidimensional, tenemos que aprender a interpretar qué significan en el plano conceptos
como conjunto cerrado y conjunto acotado.
Para poder seguir con esta discusión, por tanto, necesitamos primero introducir algo más de
lenguaje que nos permita describir correctamente los distintos tipos de conjuntos del plano.
Empezaremos generalizando el concepto de abierto. La definición que necesitamos (la que
permite probar los teoremas que queremos) es la siguiente: un conjunto es abierto si incluye a
todos los vecinos suficientemente cercanos de cada uno de sus puntos. Como se ve, para poder
precisar esta definición necesitamos aclarar lo que quiere decir esto de los vecinos suficientemente
cercanos. Ese es el contenido de la siguiente definición:














Definición 3.4. Representaremos mediante d(p, q) la distancia eucl´ıdea entre dos puntos
p = (x1, y1) y q = (x2, y2) del plano. Recordemos que esa distancia se calcula as´ı:
d(p, q) = (x1 − x2)2 + (y1 − y2)2
La bola de radio r centrada en el punto (x0, y0) es el conjunto de puntos:
{(x, y) ∈ R2
/d((x, y), (x0, y0)) < r}
Esta bola de centro p = (x0, y0) y radio r se representa mediante B(p, r).
La definición se ilustra en la siguiente figura:
16

La bola B(p, r) incluye a todos los vecinos cercanos a (x0, y0). Y además permite traducir la
expresión vecinos suficientemente cercanos, simplemente tomando un valor de r suficientemente
pequeño. As´ı, podemos definir lo que quiere decir que un conjunto es abierto.
Definición 3.5. Un conjunto A del plano es un conjunto abierto si, para cada punto p de A se
puede encontrar una bola B(p, r) tal que todos los puntos de la bola son puntos de A.
Naturalmente, en puntos distintos de A pueden ser necesarios distintos valores de r.
Ejemplo 3.6. El conjunto
A = {(x, y)/y > 0}
(el semiplano superior, sin incluir el eje x) es un conjunto abierto. En la siguiente figura se
muestran varios puntos del semiplano superior y, para cada uno de ellos, una bola centrada en
ese punto y totalmente contenida en el semiplano superior.
Como se aprecia en la figura, el radio de la bola depende del punto que se considere.
Hemos dicho que necesitamos este lenguaje de conjuntos abiertos para obtener resultados
a partir de la continuidad. Una primera relación, que nos proporciona una gran variedad de
ejemplos es este resultado:





Teorema 3.7. Si f : R2 → R es una función continua, entonces el conjunto
{(x, y)/f(x, y) > 0}
es un conjunto abierto.
17

Ejemplo 3.8. El interior de una elipse, es decir el conjunto de puntos que cumplen
x2
a2
+
y2
b2
< 1
es un abierto, porque la función
f(x, y) = 1 −
x2
a2
−
y2
b2
es continua en todo R2.
El siguiente ejemplo muestra un conjunto que no es abierto, y debe compararse con el ejemplo
3.6.
Ejemplo 3.9. El conjunto
A = {(x, y)/y ≥ 0}
no es un conjunto abierto. Si se considera el punto (1, 0), que es un punto de A, es imposible
encontrar una bola centrada en A y cuyos puntos sean todos puntos de A; como ilustra la siguiente
figura, por muy pequeño que sea el radio que se tome, la bola siempre incluye puntos del semiplano
inferior.
El anterior ejemplo sugiere que la diferencia entre abiertos y no abiertos debe buscarse en el
borde o frontera del conjunto. Lo siguiente que necesitamos es precisar esta noción de borde, y
el anterior ejemplo nos sirve de motivación para la siguiente definición.






Definición 3.10. Sea A un conjunto del plano R2. Un punto p es un punto frontera de A si
cualquier bola centrada en p contiene puntos de A y puntos que no son de A. La frontera de A
es el conjunto de todos los puntos frontera de A.
Por contra, un punto p es un punto interior de A si se puede encontrar una bola centrada en p
y cuyos puntos pertenecen todos al conjunto A.
Con este lenguaje podemos decir que un abierto es un conjunto cuyos punto son todos puntos
interiores del conjunto. Obsérvese en los anteriores ejemplos que los puntos frontera del conjunto
no tienen porque pertenecer al conjunto.
De hecho, en el caso unidimensional, que hemos visto en la primera parte del curso, un
intervalo cerrado es un intervalo que incluye a los puntos situados en su frontera. Esta definición
18

de cerrado se extiende de forma natural a R2, y nos permite cumplir uno de nuestros objetivos
iniciales de este apartado.
Definición 3.11. Un conjunto A ⊂ R2 es cerrado si todos los puntos frontera de A pertenecen
al conjunto A.
Es decir, un conjunto cerrado es un conjunto que incluye a su frontera.
Para completar nuestro objetivo en este apartado, sólo necesitamos generalizar la noción de
conjunto acotado. Es decir, un conjunto que no se extiende hasta el infinito. La generalización
más conveniente es ésta






Definición 3.12. Un conjunto A ⊂ R2 es acotado si se puede encontrar una bola centrada en
el origen que contiene a todos los puntos de A. Es decir, que existe un valor K > 0 (el radio de
esa bola) tal que, para cualquier punto (x0, y0) de A se cumple
x2 + y2 < K
Como hemos dicho al principio de este apartado, nuestro objetivo es generalizar teoremas
sobre funciones continuas en un conjunto como el teorema de Weierstrass que hemos visto en
la primera parte del curso. En ese teorema aparecen intervalos cerrados y acotados. Esas dos
condiciones definen un tipo especial de conjuntos del plano, a los que vamos a dar un nombre.
[ Definición 3.13. Un conjunto A del plano es compacto si es cerrado y acotado.
3.1.1. Continuidad global
La definición de continuidad global es muy natural:
Definición 3.14. Una función f : R2 → R es continua en un conjunto A si es continua en
todos los puntos de A.
Y, finalmente, aunque todav´ıa no hemos definido formalmente la noción de máximo y m´ınimo
en funciones de dos variables, podemos enunciar, como ejemplo, el teorema que hemos anunciado
como generalización del teorema de Weierstrass, y al que volveremos con más detenimiento más
adelante al tratar sobre extremos de funciones de dos variables.
Teorema 3.15. Si A es un conjunto compacto del plano, y f es una función continua en A,
entonces f alcanza un máximo y un m´ınimo absolutos en A.
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170 limite continuidad.

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