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Teorema dos Intervalos Encaixados: 20 Exercícios Resolvidos Passo a Passo

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By Pimath, 5 Junho, 2026

Os exercícios que se seguem têm como objectivo consolidar a compreensão do teorema dos intervalos encaixados e das suas aplicações. Em particular, aprenderemos a verificar quando uma sucessão de intervalos satisfaz as hipóteses do teorema, a determinar a sua intersecção e a compreender o papel desempenhado pela completude dos números reais.

Os exercícios estão ordenados por dificuldade crescente. Nos primeiros aplicaremos o teorema de forma directa; mais adiante analisaremos contra-exemplos, construções mais elaboradas e algumas das suas consequências teóricas mais importantes.

Recorreremos tanto à forma geral do teorema — segundo a qual a intersecção de uma sucessão de intervalos fechados, limitados, não vazios e encaixados é, ela própria, não vazia — como à forma mais forte: se as amplitudes dos intervalos tendem para zero, então a intersecção reduz-se a um único ponto.


Exercício 1 — nível ★☆☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[0,\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{0\}. \]

Resolução

Os intervalos são fechados e limitados. Além disso,

\[ I_{n+1} = \left[0,\frac{1}{n+1}\right] \subseteq \left[0,\frac{1}{n}\right] = I_n, \]

uma vez que

\[ \frac{1}{n+1}<\frac{1}{n}. \]

A sucessão é, portanto, constituída por intervalos encaixados.

Além disso, a amplitude de \(I_n\) é

\[ \frac{1}{n}-0=\frac{1}{n}, \]

e tem-se

\[ \frac{1}{n}\longrightarrow 0. \]

Pela forma forte do teorema dos intervalos encaixados, quando as amplitudes tendem para zero a intersecção reduz-se a um único ponto.

Observemos que \(0\) pertence a todos os intervalos \(I_n\).

Por outro lado, se \(x>0\), escolhendo \(n\) suficientemente grande obtém-se

\[ \frac{1}{n}<x. \]

Daqui resulta que \(x\notin I_n\), pelo que \(x\) não pode pertencer à intersecção de todos os intervalos.

O único ponto comum a todos os intervalos é, assim, \(0\).

Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} \left[0,\frac{1}{n}\right] = \{0\}. \]


Exercício 2 — nível ★☆☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n= \left[ -\frac{1}{n}, \frac{1}{n} \right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{0\}. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios.

Além disso,

\[ \left[ -\frac{1}{n+1}, \frac{1}{n+1} \right] \subseteq \left[ -\frac{1}{n}, \frac{1}{n} \right], \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Trata-se, pois, de uma sucessão de intervalos encaixados.

A amplitude de \(I_n\) vale

\[ \frac{1}{n} - \left(-\frac{1}{n}\right) = \frac{2}{n}, \]

e

\[ \frac{2}{n}\longrightarrow 0. \]

O teorema dos intervalos encaixados garante, então, que a intersecção contém um único ponto.

Como

\[ -\frac{1}{n} \leq 0 \leq \frac{1}{n} \qquad \forall n, \]

o número \(0\) pertence a todos os intervalos.

Se, pelo contrário, \(x\neq0\), então \(|x|>0\). Escolhendo \(n\) suficientemente grande tem-se

\[ \frac{1}{n}<|x|. \]

Daí decorre que \(x\notin I_n\).

Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} \left[ -\frac{1}{n}, \frac{1}{n} \right] = \{0\}. \]


Exercício 3 — nível ★☆☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[1,1+\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{1\}. \]

Resolução

Os intervalos \(I_n\) são fechados, limitados e não vazios. Além disso, à medida que \(n\) cresce, o extremo direito \(1+\displaystyle \frac{1}{n}\) diminui, enquanto o extremo esquerdo se mantém igual a \(1\). Logo, os intervalos são encaixados.

Com efeito, para todo \(n\in\mathbb N\) tem-se

\[ I_{n+1}\subseteq I_n. \]

A amplitude do intervalo \(I_n\) é

\[ \left(1+\frac{1}{n}\right)-1=\frac{1}{n}. \]

Uma vez que \(\frac{1}{n}\to0\), o teorema dos intervalos encaixados garante que a intersecção contém um só ponto.

O ponto \(1\) pertence a todos os intervalos, pois é sempre o extremo esquerdo de \(I_n\). Assim,

\[ 1\in\bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Como a intersecção contém um só ponto e esse ponto é \(1\), concluímos que

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[1,1+\frac{1}{n}\right]=\{1\}. \]


Exercício 4 — nível ★☆☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[2-\frac{1}{n},2+\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{2\}. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. Além disso, à medida que \(n\) cresce, o extremo esquerdo

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

cresce para \(2\), enquanto o extremo direito

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

decresce para \(2\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ \left(2+\frac{1}{n}\right)-\left(2-\frac{1}{n}\right)=\frac{2}{n}, \]

e, portanto,

\[ \frac{2}{n}\longrightarrow0. \]

Pelo teorema dos intervalos encaixados, a intersecção contém um único ponto.

Como

\[ 2-\frac{1}{n}\leq 2\leq 2+\frac{1}{n} \]

para todo \(n\), o ponto \(2\) pertence a todos os intervalos.

Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} \left[2-\frac{1}{n},2+\frac{1}{n}\right] = \{2\}. \]


Exercício 5 — nível ★☆☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[0,2+\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[0,2]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. Além disso, dado que

\[ 2+\frac{1}{n+1}<2+\frac{1}{n}, \]

tem-se

\[ I_{n+1}\subseteq I_n. \]

Trata-se, pois, de uma sucessão de intervalos encaixados.

Neste caso, porém, as amplitudes dos intervalos não tendem para zero. Com efeito,

\[ \left(2+\frac{1}{n}\right)-0=2+\frac{1}{n}, \]

e, por conseguinte,

\[ 2+\frac{1}{n}\longrightarrow2. \]

Por isso, a intersecção não tem necessariamente de se reduzir a um só ponto.

Observemos que qualquer ponto \(x\in[0,2]\) pertence a todos os intervalos, porque

\[ 0\leq x\leq2<2+\frac{1}{n} \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Assim,

\[ [0,2]\subseteq\bigcap_{n=1}^{+\infty}I_n. \]

Se, pelo contrário, \(x<0\), então \(x\notin I_n\) para todo \(n\), visto que todos os intervalos têm extremo esquerdo igual a \(0\).

Reciprocamente, se \(x>2\), então \(x-2>0\). Pela propriedade arquimediana, existe \(n\) tal que

\[ \frac{1}{n}<x-2. \]

Donde

\[ 2+\frac{1}{n}<x. \]

Portanto, \(x\notin I_n\), pelo que \(x\) não pertence à intersecção de todos os intervalos.

Concluímos que

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} \left[0,2+\frac{1}{n}\right] = [0,2]. \]


Exercício 6 — nível ★★☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[1-\frac{1}{n},3+\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[1,3]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. À medida que \(n\) cresce, o extremo esquerdo \(1-\displaystyle \frac{1}{n}\) cresce para \(1\), enquanto o extremo direito \(3+\displaystyle \frac{1}{n}\) decresce para \(3\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ \left(3+\frac{1}{n}\right)-\left(1-\frac{1}{n}\right)=2+\frac{2}{n}. \]

Uma vez que \(2+\displaystyle \frac{2}{n}\to2\), a amplitude não tende para zero. Logo, a intersecção não se reduz a um só ponto.

Os extremos esquerdos têm supremo \(1\), enquanto os extremos direitos têm ínfimo \(3\). Pelo teorema dos intervalos encaixados, obtém-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[1,3]. \]


Exercício 7 — nível ★★☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[-\frac{1}{n},1\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[0,1]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. Além disso, o extremo esquerdo \(-\displaystyle \frac{1}{n}\) cresce para \(0\), enquanto o extremo direito se mantém igual a \(1\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ 1-\left(-\frac{1}{n}\right)=1+\frac{1}{n}. \]

Uma vez que \(1+\displaystyle \frac{1}{n}\to1\), a amplitude não tende para zero.

O supremo dos extremos esquerdos é \(0\), enquanto o ínfimo dos extremos direitos é \(1\). Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[-\frac{1}{n},1\right]=[0,1]. \]


Exercício 8 — nível ★★☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[2-\frac{1}{n},5\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[2,5]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. O extremo esquerdo \(2-\displaystyle \frac{1}{n}\) cresce para \(2\), enquanto o extremo direito se mantém constante e igual a \(5\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ 5-\left(2-\frac{1}{n}\right)=3+\frac{1}{n}. \]

Uma vez que \(3+\displaystyle \frac{1}{n}\to3\), a amplitude não tende para zero.

O supremo dos extremos esquerdos é \(2\), enquanto o ínfimo dos extremos direitos é \(5\). Assim,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[2-\frac{1}{n},5\right]=[2,5]. \]


Exercício 9 — nível ★★☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[-\frac{1}{n},1+\frac{1}{n}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=[0,1]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. O extremo esquerdo \(-\displaystyle \frac{1}{n}\) cresce para \(0\), enquanto o extremo direito \(1+\displaystyle \frac{1}{n}\) decresce para \(1\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ \left(1+\frac{1}{n}\right)-\left(-\frac{1}{n}\right)=1+\frac{2}{n}. \]

Uma vez que \(1+\displaystyle \frac{2}{n}\to1\), a amplitude não tende para zero.

O supremo dos extremos esquerdos é \(0\), enquanto o ínfimo dos extremos direitos é \(1\). Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[-\frac{1}{n},1+\frac{1}{n}\right]=[0,1]. \]


Exercício 10 — nível ★★☆☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[\frac{n}{n+1},2-\frac{1}{n+1}\right]. \]

Determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

Tem-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\left[1,\frac{3}{2}\right]. \]

Resolução

Reescrevamos os extremos do intervalo:

\[ \frac{n}{n+1}=1-\frac{1}{n+1}, \qquad 2-\frac{1}{n+1}. \]

Assim,

\[ I_n=\left[1-\frac{1}{n+1},2-\frac{1}{n+1}\right]. \]

Os intervalos são fechados, limitados e não vazios. Contudo, não estão encaixados de forma decrescente: à medida que \(n\) cresce, ambos os extremos se deslocam para a direita.

Com efeito,

\[ I_1=\left[\frac{1}{2},\frac{3}{2}\right], \qquad I_2=\left[\frac{2}{3},\frac{5}{3}\right]. \]

O intervalo \(I_2\) não está contido em \(I_1\), uma vez que o seu extremo direito é maior do que o de \(I_1\). Logo, o teorema dos intervalos encaixados não se aplica directamente.

Determinemos, ainda assim, a intersecção. Um número \(x\) pertence a todos os intervalos se e só se

\[ 1-\frac{1}{n+1}\leq x\leq 2-\frac{1}{n+1} \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Da primeira desigualdade, exigindo que se verifique para todo \(n\), obtém-se

\[ x\geq1. \]

Com efeito, os extremos esquerdos \(1-\frac{1}{n+1}\) crescem para \(1\).

Da segunda desigualdade, por sua vez, a restrição mais forte obtém-se para \(n=1\), visto que os extremos direitos \(2-\frac{1}{n+1}\) crescem à medida que \(n\) cresce. Portanto, deve ter-se

\[ x\leq 2-\frac{1}{2}=\frac{3}{2}. \]

Por conseguinte, todo o ponto da intersecção deve satisfazer

\[ 1\leq x\leq\frac{3}{2}. \]

Reciprocamente, se \(1\leq x\leq\frac{3}{2}\), então para todo \(n\in\mathbb N\) tem-se

\[ 1-\frac{1}{n+1}\leq1\leq x \]

e, além disso,

\[ x\leq\frac{3}{2}\leq2-\frac{1}{n+1}. \]

Logo, \(x\in I_n\) para todo \(n\in\mathbb N\).

Concluímos que

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[\frac{n}{n+1},2-\frac{1}{n+1}\right]=\left[1,\frac{3}{2}\right]. \]


Exercício 11 — nível ★★★☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left(0,\frac{1}{n}\right). \]

Estabeleça-se se o teorema dos intervalos encaixados é aplicável e determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

O teorema dos intervalos encaixados não é aplicável, porque os intervalos não são fechados. Além disso,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(0,\frac{1}{n}\right)=\varnothing. \]

Resolução

Os intervalos \(I_n\) são abertos, limitados, não vazios e encaixados. Com efeito, à medida que \(n\) cresce, o extremo direito \(\displaystyle \frac{1}{n}\) diminui.

Contudo, o teorema dos intervalos encaixados exige intervalos fechados e limitados. Neste caso os intervalos não são fechados, pelo que o teorema não pode ser aplicado.

Determinemos agora a intersecção. Se \(x\) pertencesse a todos os intervalos, deveria verificar-se

\[ 0\lt x\lt\frac{1}{n} \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Mas, se \(x\gt0\), pela propriedade arquimediana existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ \frac{1}{n}\lt x. \]

Para esse \(n\), o número \(x\) não pertence a \(I_n\).

Logo, nenhum número real pertence a todos os intervalos. Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(0,\frac{1}{n}\right)=\varnothing. \]


Exercício 12 — nível ★★★☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=[n,+\infty). \]

Estabeleça-se se o teorema dos intervalos encaixados é aplicável e determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

O teorema dos intervalos encaixados não é aplicável, porque os intervalos não são limitados. Além disso,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}[n,+\infty)=\varnothing. \]

Resolução

Os intervalos \(I_n=[n,+\infty)\) são fechados e não vazios. Além disso, são encaixados, porque

\[ [n+1,+\infty)\subseteq[n,+\infty). \]

Contudo, não são limitados. O teorema dos intervalos encaixados exige intervalos fechados e limitados, pelo que neste caso não é aplicável.

Determinemos a intersecção. Se \(x\) pertencesse a todos os intervalos, deveria verificar-se

\[ x\geq n \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Isto é impossível, visto que nenhum número real é maior ou igual a todos os números naturais.

Portanto,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}[n,+\infty)=\varnothing. \]


Exercício 13 — nível ★★★☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left(-\infty,\frac{1}{n}\right]. \]

Estabeleça-se se o teorema dos intervalos encaixados é aplicável e determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

O teorema dos intervalos encaixados não é aplicável, porque os intervalos não são limitados. Além disso,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(-\infty,\frac{1}{n}\right]=(-\infty,0]. \]

Resolução

Os intervalos são fechados e não vazios, mas não são limitados inferiormente. Logo, o teorema dos intervalos encaixados não pode ser aplicado directamente.

Os intervalos são, ainda assim, encaixados, uma vez que o extremo direito \(\displaystyle\frac{1}{n}\) decresce para \(0\).

Se \(x\leq0\), então

\[ x\leq0\lt\frac{1}{n} \]

para todo \(n\in\mathbb N\). Portanto, todo \(x\leq0\) pertence a todos os intervalos.

Se, pelo contrário, \(x\gt0\), pela propriedade arquimediana existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ \frac{1}{n}\lt x. \]

Para esse \(n\), tem-se \(x\notin I_n\).

Por conseguinte, os pontos comuns a todos os intervalos são exactamente os números reais menores ou iguais a \(0\):

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(-\infty,\frac{1}{n}\right]=(-\infty,0]. \]


Exercício 14 — nível ★★★☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left[0,1+\frac{(-1)^n}{2}\right]. \]

Estabeleça-se se os intervalos são encaixados e se o teorema dos intervalos encaixados é aplicável.

Resultado

Os intervalos não são encaixados. O teorema dos intervalos encaixados não é aplicável.

Resolução

Calculemos os primeiros intervalos. Para \(n=1\) tem-se

\[ I_1=\left[0,\frac{1}{2}\right], \]

ao passo que para \(n=2\) se tem

\[ I_2=\left[0,\frac{3}{2}\right]. \]

Logo, \(I_2\) não está contido em \(I_1\). Com efeito,

\[ \frac{3}{2}\in I_2, \qquad \frac{3}{2}\notin I_1. \]

A sucessão de intervalos não é, pois, encaixada.

Embora os intervalos sejam fechados, limitados e não vazios, falha a hipótese de encaixe. Por conseguinte, o teorema dos intervalos encaixados não é aplicável.


Exercício 15 — nível ★★★☆☆

Considere-se a sucessão de intervalos

\[ I_n=\left(0,1+\frac{1}{n}\right). \]

Estabeleça-se se o teorema dos intervalos encaixados é aplicável e determine-se

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Resultado

O teorema dos intervalos encaixados não é aplicável, porque os intervalos não são fechados. Além disso,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(0,1+\frac{1}{n}\right)=(0,1]. \]

Resolução

Os intervalos são abertos, limitados, não vazios e encaixados, uma vez que o extremo direito \(1+\displaystyle\frac{1}{n}\) decresce para \(1\).

Contudo, o teorema dos intervalos encaixados exige intervalos fechados e limitados. Como os intervalos \(I_n\) não são fechados, o teorema não é aplicável.

Determinemos agora a intersecção. Se \(0\lt x\leq1\), então

\[ 0\lt x\lt1+\frac{1}{n} \]

para todo \(n\in\mathbb N\), pelo que \(x\in I_n\) para todo \(n\).

Por conseguinte,

\[ (0,1]\subseteq\bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n. \]

Reciprocamente, se \(x\leq0\), então \(x\notin I_n\) para todo \(n\). Se, pelo contrário, \(x\gt1\), então \(x-1\gt0\), e pela propriedade arquimediana existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ \frac{1}{n}\lt x-1. \]

Donde

\[ 1+\frac{1}{n}\lt x. \]

Para esse \(n\), o número \(x\) não pertence a \(I_n\).

Concluímos que

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left(0,1+\frac{1}{n}\right)=(0,1]. \]


Exercício 16 — nível ★★★★☆

Construa-se uma sucessão de intervalos fechados e limitados, encaixados e com amplitude tendente para zero, cuja intersecção seja \(\{\sqrt{2}\}\).

Resultado

Um exemplo possível é

\[ I_n=\left[\sqrt{2}-\frac{1}{n},\sqrt{2}+\frac{1}{n}\right]. \]

Nesse caso,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{\sqrt{2}\}. \]

Resolução

Consideremos

\[ I_n=\left[\sqrt{2}-\frac{1}{n},\sqrt{2}+\frac{1}{n}\right]. \]

Cada \(I_n\) é um intervalo fechado, limitado e não vazio.

À medida que \(n\) cresce, o extremo esquerdo cresce para \(\sqrt{2}\), enquanto o extremo direito decresce para \(\sqrt{2}\). Logo, os intervalos são encaixados.

A amplitude de \(I_n\) é

\[ \left(\sqrt{2}+\frac{1}{n}\right)-\left(\sqrt{2}-\frac{1}{n}\right)=\frac{2}{n}. \]

Uma vez que \( \displaystyle \frac{2}{n}\to0\), o teorema dos intervalos encaixados garante que a intersecção contém um só ponto.

O ponto \(\sqrt{2}\) pertence a todos os intervalos, pois encontra-se sempre entre os extremos \(\sqrt{2}-\displaystyle \frac{1}{n}\) e \(\sqrt{2}+\displaystyle \frac{1}{n}\).

Por conseguinte, o único ponto comum a todos os intervalos é \(\sqrt{2}\), isto é,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[\sqrt{2}-\frac{1}{n},\sqrt{2}+\frac{1}{n}\right]=\{\sqrt{2}\}. \]


Exercício 17 — nível ★★★★☆

Seja \(f(x)=x^2-2\). Considere-se o intervalo inicial \([1,2]\), no qual \(f(1)\lt0\) e \(f(2)\gt0\). Construa-se, por bissecção, uma sucessão de intervalos fechados e encaixados que contenha sempre uma solução da equação

\[ x^2=2. \]

Explique-se por que razão a intersecção contém um único ponto.

Resultado

O método da bissecção produz uma sucessão de intervalos fechados, limitados e encaixados, com amplitude tendente para zero. A intersecção contém um único ponto, que é \(\sqrt{2}\).

Resolução

Partimos do intervalo

\[ I_1=[1,2]. \]

Como \(f(1)=1^2-2=-1\) e \(f(2)=2^2-2=2\), a função muda de sinal entre \(1\) e \(2\).

Dividimos \(I_1\) em duas partes iguais e escolhemos a metade na qual a função volta a mudar de sinal. Chamamos \(I_2\) a esse intervalo. Repetindo o procedimento, obtemos uma sucessão de intervalos

\[ I_1\supseteq I_2\supseteq I_3\supseteq\cdots. \]

Por construção, cada \(I_n\) é fechado, limitado e não vazio. Além disso, os intervalos são encaixados.

Em cada passo a amplitude é reduzida a metade. Como a amplitude inicial é \(1\), a amplitude de \(I_n\) é

\[ \frac{1}{2^{n-1}}. \]

Visto que

\[ \frac{1}{2^{n-1}}\to0, \]

o teorema dos intervalos encaixados garante que a intersecção contém um único ponto.

Designemos por \(x_0\) o único ponto que pertence a todos os intervalos \(I_n\). Por construção, cada intervalo \(I_n\) contém pelo menos uma solução da equação \(x^2=2\).

Designemos por \(x_0\) o único ponto que pertence a todos os intervalos \(I_n\). Por construção, em cada passo escolhemos um subintervalo que contém a solução positiva da equação \(x^2=2\).

Essa solução positiva é \(\sqrt{2}\). Portanto, \(\sqrt{2}\in I_n\) para todo \(n\in\mathbb N\). Como a intersecção de todos os intervalos contém um único ponto, esse ponto deve ser precisamente \(\sqrt{2}\).

Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{\sqrt{2}\}. \]


Exercício 18 — nível ★★★★☆

Sejam \((a_n)\) e \((b_n)\) duas sucessões reais tais que

\[ a_n\leq a_{n+1}\leq b_{n+1}\leq b_n \]

para todo \(n\in\mathbb N\). Suponhamos, além disso, que

\[ b_n-a_n\to0. \]

Demonstre-se que as duas sucessões convergem para o mesmo limite.

Resultado

As sucessões \((a_n)\) e \((b_n)\) convergem para o mesmo limite.

Resolução

Consideremos os intervalos

\[ I_n=[a_n,b_n]. \]

A condição

\[ a_n\leq a_{n+1}\leq b_{n+1}\leq b_n \]

implica que

\[ I_{n+1}\subseteq I_n \]

para todo \(n\). Logo, \((I_n)\) é uma sucessão de intervalos encaixados.

Além disso, os intervalos são fechados, limitados e não vazios. Como \(b_n-a_n\to0\), o teorema dos intervalos encaixados garante que existe um único ponto \(x_0\) tal que

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\{x_0\}. \]

Visto que \(x_0\in I_n\) para todo \(n\), tem-se

\[ a_n\leq x_0\leq b_n \]

para todo \(n\).

Desta dupla desigualdade resulta

\[ 0\leq x_0-a_n\leq b_n-a_n \]

e também

\[ 0\leq b_n-x_0\leq b_n-a_n. \]

Como \(b_n-a_n\to0\), pelo teorema do enquadramento obtemos

\[ a_n\to x_0 \qquad\text{e}\qquad b_n\to x_0. \]

Por conseguinte, as duas sucessões convergem para o mesmo limite.


Exercício 19 — nível ★★★★★

Mostre-se que o teorema dos intervalos encaixados pode falhar em \(\mathbb Q\).

Resultado

Em \(\mathbb Q\) existem sucessões de intervalos racionais fechados, limitados e encaixados, com amplitude tendente para zero, cuja intersecção é vazia.

Resolução

Construímos intervalos racionais que encerram cada vez mais estreitamente o número irracional \(\sqrt{2}\).

Sejam \(a_n\) e \(b_n\) números racionais tais que

\[ a_n\lt\sqrt{2}\lt b_n \]

e tais que

\[ b_n-a_n\to0. \]

Por exemplo, podem tomar-se \(a_n\) e \(b_n\) como aproximações decimais racionais de \(\sqrt{2}\), por defeito e por excesso, respectivamente.

Escolhamo-los, além disso, de modo que os intervalos

\[ [a_n,b_n] \]

sejam encaixados.

Consideremos agora os conjuntos

\[ I_n=[a_n,b_n]\cap\mathbb Q. \]

Em \(\mathbb Q\), os conjuntos \(I_n\) são intervalos racionais fechados e limitados, relativamente à topologia relativa e à ordem usual de \(\mathbb Q\). São, além disso, encaixados e a sua amplitude tende para zero.

Em \(\mathbb R\), a intersecção dos intervalos \([a_n,b_n]\) é o único ponto \(\sqrt{2}\):

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty}[a_n,b_n]=\{\sqrt{2}\}. \]

Contudo,

\[ \sqrt{2}\notin\mathbb Q. \]

Logo, se trabalharmos dentro de \(\mathbb Q\), nenhum número racional pertence a todos os intervalos \(I_n\).

Por conseguinte,

\[ \bigcap_{n=1}^{+\infty} I_n=\varnothing. \]

Isto mostra que o teorema dos intervalos encaixados depende da completude de \(\mathbb R\) e pode falhar em \(\mathbb Q\).


Exercício 20 — nível ★★★★★

Demonstre-se a seguinte forma do teorema dos intervalos encaixados: se

\[ I_n=[a_n,b_n], \qquad I_{n+1}\subseteq I_n \]

para todo \(n\in\mathbb N\), e se

\[ b_n-a_n\to0, \]

então existe um único ponto que pertence a todos os intervalos \(I_n\).

Resultado

Existe um único \(x_0\in\mathbb R\) tal que

\[ x_0\in I_n \]

para todo \(n\in\mathbb N\).

Resolução

Uma vez que os intervalos são encaixados, tem-se

\[ a_n\leq a_{n+1}\leq b_{n+1}\leq b_n \]

para todo \(n\).

Logo, a sucessão \((a_n)\) é crescente, enquanto a sucessão \((b_n)\) é decrescente.

Mostremos que cada \(b_n\) é um majorante do conjunto \(\{a_k:k\in\mathbb N\}\). Com efeito, se \(k\leq n\), então

\[ a_k\leq a_n\leq b_n. \]

Se, pelo contrário, \(k>n\), então

\[ a_k\leq b_k\leq b_n. \]

Em qualquer caso, \(a_k\leq b_n\). Portanto, cada \(b_n\) é um majorante de \(\{a_k:k\in\mathbb N\}\).

Pela completude de \(\mathbb R\), existe

\[ x_0=\sup\{a_n:n\in\mathbb N\}. \]

Em consequência, tem-se

\[ x_0\leq b_n \]

para todo \(n\). Além disso, pela definição de supremo, tem-se

\[ a_n\leq x_0 \]

para todo \(n\).

Assim,

\[ a_n\leq x_0\leq b_n \]

para todo \(n\), e, portanto, \(x_0\in I_n\) para todo \(n\).

Ficou assim demonstrado que a intersecção não é vazia.

Mostremos agora a unicidade. Suponhamos que \(x\) e \(y\) pertencem a todos os intervalos \(I_n\), com \(x\leq y\). Então, para todo \(n\),

\[ a_n\leq x\leq y\leq b_n. \]

Segue-se que

\[ 0\leq y-x\leq b_n-a_n. \]

Como \(b_n-a_n\to0\), obtemos \(y-x=0\), isto é, \(x=y\).

Logo, o ponto comum a todos os intervalos é único.


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  • Análise Matemática 1

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