Passar para o conteúdo principal
Início
Pimath

Menu PT

  • 🇵🇹 Home
  • 👨‍🎓 Sobre mim
  • 🚧 Teoria e Exercícios
User account menu
  • Entrar

Navegação estrutural

  1. Início

Teorema de Bolzano-Weierstrass: Enunciado, Significado e Demonstração

Profile picture for user Pimath
By Pimath, 6 Junho, 2026

O teorema de Bolzano-Weierstrass afirma que toda sucessão real limitada contém pelo menos uma subsucessão convergente.

Este teorema exprime uma propriedade profunda da reta real: uma sucessão que permanece confinada num intervalo fechado e limitado não pode dispersar-se por completo. Ainda que a sucessão não convirja, é sempre possível extrair dela uma parte que converge.


Índice

  • Enunciado do teorema de Bolzano-Weierstrass
  • Significado do teorema
  • Demonstração mediante intervalos encaixados
  • Por que é necessária a hipótese de limitação
  • Exemplos de aplicação
  • Relação com os pontos de acumulação

Enunciado do teorema de Bolzano-Weierstrass

Consideremos uma sucessão real

\[ (x_n)_{n\in\mathbb N}. \]

Recordemos que uma sucessão se diz limitada se existirem dois números reais \(a\) e \(b\), com \(a\leq b\), tais que

\[ a\leq x_n\leq b \]

para todo o \(n\in\mathbb N\). Por outras palavras, todos os termos da sucessão estão contidos num mesmo intervalo fechado e limitado \([a,b]\).

Teorema de Bolzano-Weierstrass. Toda sucessão real limitada admite uma subsucessão convergente.

De modo equivalente, se \((x_n)\) for uma sucessão real limitada, então existem uma sucessão estritamente crescente de índices

\[ n_1\lt n_2\lt n_3\lt\cdots \]

e um número real \(x_0\) tais que

\[ x_{n_k}\longrightarrow x_0. \]

A sucessão \((x_{n_k})\) recebe o nome de subsucessão de \((x_n)\).


Significado do teorema

O teorema não afirma que toda a sucessão limitada seja convergente; isso seria falso. Tomemos, por exemplo, a sucessão

\[ x_n=(-1)^n, \]

que é limitada, mas não converge, pois oscila incessantemente entre \(1\) e \(-1\).

Contém, no entanto, subsucessões convergentes. Com efeito, tomando os índices pares obtém-se

\[ x_{2k}=1 \]

para todo o \(k\), e portanto

\[ x_{2k}\longrightarrow 1. \]

Tomando, pelo contrário, os índices ímpares obtém-se

\[ x_{2k-1}=-1 \]

para todo o \(k\), e portanto

\[ x_{2k-1}\longrightarrow -1. \]

É precisamente isto que o teorema de Bolzano-Weierstrass afirma: mesmo quando uma sucessão limitada não converge no seu todo, no seu interior existe sempre uma subsucessão que converge.


Demonstração mediante intervalos encaixados

Demonstramos o teorema recorrendo ao teorema dos intervalos encaixados.

Seja \((x_n)\) uma sucessão real limitada. Então existem \(a,b\in\mathbb R\), com \(a\leq b\), tais que

\[ x_n\in[a,b] \]

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

Ponhamos

\[ I_1=[a,b]. \]

O intervalo \(I_1\) contém todos os termos da sucessão, pelo que contém certamente uma infinidade de termos da mesma.

Dividamos \(I_1\) em dois intervalos fechados de igual comprimento:

\[ \left[a,\frac{a+b}{2}\right], \qquad \left[\frac{a+b}{2},b\right]. \]

Como \(I_1\) contém uma infinidade de termos da sucessão, pelo menos um dos dois subintervalos contém igualmente uma infinidade de termos. Escolhemos um desses subintervalos e designamo-lo por \(I_2\).

Repitamos o mesmo procedimento. Suponhamos ter construído um intervalo fechado \(I_k\) que contém uma infinidade de termos da sucessão. Dividimos \(I_k\) em dois intervalos fechados de igual comprimento. Pelo menos um deles contém uma infinidade de termos; escolhemo-lo e designamo-lo por \(I_{k+1}\).

Deste modo obtemos uma sucessão de intervalos fechados e limitados

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

tal que cada \(I_k\) contém uma infinidade de termos da sucessão \((x_n)\).

Além disso, em cada passo o comprimento do intervalo é reduzido a metade. Se \(I_1=[a,b]\), então o comprimento de \(I_k\) é

\[ \frac{b-a}{2^{k-1}}. \]

Visto que

\[ \frac{b-a}{2^{k-1}}\longrightarrow 0, \]

pelo teorema dos intervalos encaixados existe um único ponto \(x_0\in\mathbb R\) tal que

\[ \bigcap_{k=1}^{+\infty} I_k=\{x_0\}. \]

Resta construir uma subsucessão de \((x_n)\) que convirja para \(x_0\).

Para construir tal subsucessão, procedemos por indução sobre os intervalos \(I_k\).

Como \(I_1\) contém uma infinidade de termos da sucessão, escolhemos um índice \(n_1\) tal que

\[ x_{n_1}\in I_1. \]

Como \(I_2\) contém uma infinidade de termos, podemos escolher um índice \(n_2\) maior do que \(n_1\) tal que

\[ x_{n_2}\in I_2. \]

Em geral, suponhamos ter escolhido os índices

\[ n_1\lt n_2\lt\cdots\lt n_k \]

de modo que

\[ x_{n_j}\in I_j \qquad \text{para todo o } j=1,\ldots,k. \]

Como \(I_{k+1}\) contém uma infinidade de termos, podemos escolher um índice \(n_{k+1}\gt n_k\) tal que

\[ x_{n_{k+1}}\in I_{k+1}. \]

Obtemos assim uma subsucessão

\[ (x_{n_k})_{k\in\mathbb N} \]

tal que

\[ x_{n_k}\in I_k \qquad \forall k\in\mathbb N. \]

Demonstremos agora que esta subsucessão converge para \(x_0\).

Como \(x_0\) pertence a todos os intervalos \(I_k\) e também \(x_{n_k}\in I_k\), a distância entre \(x_{n_k}\) e \(x_0\) é, no máximo, igual ao comprimento de \(I_k\). Logo,

\[ |x_{n_k}-x_0|\leq \frac{b-a}{2^{k-1}}. \]

Visto que

\[ \frac{b-a}{2^{k-1}}\longrightarrow0, \]

pelo teorema do confronto conclui-se que

\[ |x_{n_k}-x_0|\longrightarrow0. \]

Por conseguinte,

\[ x_{n_k}\longrightarrow x_0. \]

Construímos, assim, uma subsucessão convergente da sucessão inicial. Com isto termina a demonstração do teorema de Bolzano-Weierstrass.


Por que é necessária a hipótese de limitação

A hipótese de limitação é essencial. Se uma sucessão não for limitada, pode não admitir qualquer subsucessão convergente.

Consideremos, por exemplo, a sucessão

\[ x_n=n. \]

Esta não é limitada superiormente. Além disso, cada uma das suas subsucessões é da forma

\[ x_{n_k}=n_k, \]

onde

\[ n_1\lt n_2\lt n_3\lt\cdots. \]

Como os índices \(n_k\) tendem para \(+\infty\), tem-se

\[ x_{n_k}=n_k\longrightarrow+\infty. \]

Nenhuma subsucessão pode, portanto, convergir para um número real.

Este exemplo mostra que a limitação não é uma condição acessória: é precisamente o que impede que os termos da sucessão fujam para o infinito.


Exemplos de aplicação

Exemplo 1. Consideremos a sucessão

\[ x_n=(-1)^n. \]

A sucessão é limitada, uma vez que

\[ -1\leq x_n\leq1 \]

para todo o \(n\in\mathbb N\). Pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, admite pelo menos uma subsucessão convergente.

De facto, os termos de índice par dão

\[ x_{2k}=1 \]

para todo o \(k\in\mathbb N\), de modo que

\[ x_{2k}\longrightarrow1, \]

ao passo que os de índice ímpar dão

\[ x_{2k-1}=-1, \]

e portanto

\[ x_{2k-1}\longrightarrow -1. \]

A sucessão inicial não converge, mas possui duas subsucessões convergentes naturais.

Exemplo 2. Consideremos a sucessão

\[ x_n=\frac{(-1)^n n}{n+1}. \]

É limitada, porque

\[ -1\lt x_n\lt1 \]

para todo o \(n\in\mathbb N\). Por Bolzano-Weierstrass, tem de admitir uma subsucessão convergente.

Separemos os índices pares e ímpares. Se \(n=2k\), então

\[ x_{2k}=\frac{2k}{2k+1}\longrightarrow1. \]

Se, pelo contrário, \(n=2k-1\), então

\[ x_{2k-1}=-\frac{2k-1}{2k}\longrightarrow -1. \]

Também neste caso a sucessão não converge, mas contém subsucessões convergentes.

Exemplo 3. Consideremos uma sucessão qualquer \((x_n)\) contida no intervalo \([0,1]\).

Não é necessário conhecer uma fórmula explícita da sucessão. O simples facto de que

\[ 0\leq x_n\leq1 \]

para todo o \(n\in\mathbb N\) garante, pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, a existência de uma subsucessão convergente.

Este é um dos aspectos mais importantes do teorema: fornece um resultado de existência mesmo quando não sabemos calcular explicitamente uma subsucessão.


Relação com os pontos de acumulação

O teorema de Bolzano-Weierstrass pode também ser interpretado em termos de pontos de acumulação.

Se uma sucessão real limitada assumir uma infinidade de valores distintos, então o conjunto dos seus valores é um subconjunto infinito e limitado de \(\mathbb R\). Nesse caso o teorema garante a existência de pelo menos um ponto de acumulação.

Mais precisamente, se uma subsucessão

\[ x_{n_k}\longrightarrow x_0 \]

e os termos \(x_{n_k}\) forem distintos de \(x_0\) para uma infinidade de índices, então \(x_0\) é um ponto de acumulação do conjunto dos valores da sucessão.

No caso em que a sucessão assume apenas um número finito de valores, o teorema continua a ser verdadeiro: pelo menos um desses valores tem de ser assumido uma infinidade de vezes. Nesse caso existe uma subsucessão constante e, por conseguinte, convergente.

Assim, Bolzano-Weierstrass pode ser lido de dois modos complementares:

  • toda sucessão real limitada possui uma subsucessão convergente;
  • todo o conjunto infinito e limitado de números reais possui pelo menos um ponto de acumulação.

Esta segunda formulação liga o teorema ao estudo topológico da reta real e prepara o terreno para os resultados sobre compacidade.


O seu feedback é importante para nós! Deixe um comentário e nos ajude a melhorar este conteúdo. Obrigado!

Feedback

Apoie-nos com um Like:
Ou, compartilhe:

Tags

  • Análise Matemática 1

Apoie-nos com um Like:
Ou, compartilhe:

Copyright © 2026 | Pimath | All Rights Reserved