Ricevo da Francesca la seguente domanda:Buongiorno, mi trovo in difficoltà con il seguente esercizio (n.33, pag.1766, Matematica blu 2.0):a) Determina il dominio della funzione \(f\left( x \right)=\frac{\ln x}{1-2\ln x}\) e calcola il limiti per \(x\to {{0}^{+}}\) e per \(x\to +\infty\). b) Dimostra che la funzione è invertibile nel suo dominio e scrivi l’equazione della funzione inversa. Perché la funzione è invertibile pur non essendo crescente? c) Considera \(\left| f\left( x \right) \right|\) e verifica che assume lo stesso valore agli estremi dell’intervallo \(\left[ \sqrt[3]{e};e \right]\), Si può affermare che vale il teorema di Rolle nell’intervallo \(\left[ \sqrt[3]{e};e \right]\)?d) Studia la continuità e la derivabilità di \(\left| f\left( x \right) \right|\).Grazie.Le rispondo così:Cara Francesca,la funzione in questione è definita e continua nel dominio \({{D}_{f}}=\left] 0,\sqrt{e} \right[\cup \left] \sqrt{e},+\infty \right[\), e presenta i seguenti limiti: \[\underset{x\to {{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln x}{1-2\ln x}=-\underset{x\to {{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\frac{1}{2-1/\ln x}=-\frac{1}{2-0}=-\frac{1}{2}\]\[\underset{x\to {{\sqrt{e}}^{\pm }}}{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln x}{1-2\ln x}=\frac{e}{{{0}^{\mp }}}=\mp \infty \]\[\underset{x\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln x}{1-2\ln x}=-\underset{x\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{1}{2-1/\ln x}=-\frac{1}{2-0}=-\frac{1}{2}\quad .\]Poiché, per ogni \({{x}_{1}},{{x}_{2}}\in {{D}_{f}}\) \[\frac{\ln {{x}_{1}}}{1-2\ln {{x}_{1}}}=\frac{\ln {{x}_{2}}}{1-2\ln {{x}_{2}}}\leftrightarrow \ln {{x}_{1}}-2\ln {{x}_{1}}\cdot \ln {{x}_{2}}=\ln {{x}_{2}}-2\ln {{x}_{1}}\cdot \ln {{x}_{2}}\leftrightarrow \]\[\leftrightarrow \ln {{x}_{1}}=\ln {{x}_{2}}\leftrightarrow {{x}_{1}}={{x}_{2}}\]concludiamo che \(f(x)\) è iniettiva, quindi che \(f(x)\) realizza una corrispondenza biunivoca e invertibile tra il dominio \(D_f\) e il codominio \(C_f=\left] -\infty ,-\frac{1}{2} \right[\cup \left] -\frac{1}{2},+\infty \right[\); tale codominio è deducibile osservando che l’equazione\[y=\frac{\ln x}{1-2\ln x}\to \left( 1+2y \right)\ln x=y\to x={{e}^{\frac{y}{1+2y}}}\] ammette una e una sola soluzione \(\forall y\in {{C}_{f}}\) . Si osservi che da questo discende che l’espressione della funzione inversa di \(f(x)\) è la seguente: \[{{f}^{-1}}\left( x \right)={{e}^{\frac{x}{1+2x}}}\quad .\]Si noti che dall’osservazione che la funzione derivata di \(f(x)\) è sempre positiva:\[f'\left( x \right)=\frac{1}{x{{\left( 1-2\ln x \right)}^{2}}}>0\quad \forall x\in {{D}_{f}}\]non avremmo potuto ricavare la monotonia globale su \(D_f\) della funzione, che infatti è monotona crescente solo a tratti, essendo inapplicabile in tal caso il teorema di Lagrange e i suoi corollari (l’insieme \(D_f\) non è un intervallo…). Per un analogo motivo, non si può applicare il teorema di Rolle alla funzione \(\left| f\left( x \right) \right|\) nell’intervallo \(\left[ \sqrt[3]{e};e \right]\), in quanto nel punto \(x=\sqrt{e}\), interno a tale intervallo, la funzione non è definita: l’uguaglianza dei valori assunti dalla funzione negli estremi dell’intervallo non comporta quindi la necessità che esista in tale intervallo almeno un punto in cui la derivata della funzione si annulli (anche se non risulta escluso che ciò possa accadere…).La funzione \(\left| f\left( x \right) \right|\) è definita e continua in tutto \(D_f\), ma la derivabilità viene meno nel punto \(x=1\), dove si verifica che \[\underset{x\to {{0}^{\pm }}}{\mathop{\lim }}\,\frac{\left| f\left( 1+h \right)-f\left( 1 \right) \right|}{h}=\]\[=\underset{x\to {{0}^{\pm }}}{\mathop{\lim }}\,\frac{\left| h \right|}{h}\left| \frac{\ln \left( 1+h \right)}{h\left( 1-2\ln \left( 1+h \right) \right)} \right|=\pm 1\] cioè il rapporto incrementale, in corrispondenza a \(x=1\), presenta limiti unilaterali diversi. Alla stessa conclusione si sarebbe potuti pervenire osservando che \(\left| f\left( x \right) \right|=-f\left( x \right)\) per \(0<x<1\vee x>\sqrt{e}\), \(\left| f\left( x \right) \right|=f\left( x \right)\) per \(1<x<\sqrt{e}\), per cui anche i limiti destro e sinistro della derivata, per \(x\to 1\), sono opposti, in particolare \(\pm 1\).Massimo Bergamini