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Completude dos Números Reais: 20 Exercícios Resolvidos Passo a Passo

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By Pimath, 8 Junho, 2026

Os exercícios que se seguem são dedicados à completude de \(\mathbb R\). O ponto central é o axioma do supremo: todo o subconjunto não vazio de \(\mathbb R\) que seja majorado admite supremo em \(\mathbb R\).

Este princípio distingue profundamente \(\mathbb R\) de \(\mathbb Q\) e permite demonstrar resultados fundamentais da análise, como a existência de supremos e ínfimos, o teorema dos intervalos encaixados e a convergência das sucessões monótonas limitadas.


Exercício 1 — nível ★☆☆☆☆

Seja

\[ A=(0,1). \]

Determinar o supremo, o ínfimo, o máximo e o mínimo de \(A\), explicando o papel da completude de \(\mathbb R\).

Resultado

Tem-se

\[ \sup A=1,\qquad \inf A=0. \]

O conjunto \(A\) não tem máximo nem mínimo.

Resolução

O conjunto \(A=(0,1)\) é não vazio e é majorado. Por exemplo, \(1\) é um majorante de \(A\), pois todo o \(x\in A\) satisfaz

\[ x\lt 1. \]

Pelo axioma de completude de \(\mathbb R\), o conjunto \(A\) admite supremo.

Mostremos que

\[ \sup A=1. \]

O número \(1\) é um majorante de \(A\). Além disso, se \(M\lt 1\), podemos escolher um número \(x\) tal que

\[ M\lt x\lt 1. \]

Se escolhermos também \(x\gt 0\), então \(x\in A\) e \(x\gt M\). Logo, nenhum número inferior a \(1\) é majorante de \(A\). Assim, \(1\) é o menor dos majorantes, ou seja,

\[ \sup A=1. \]

De modo análogo, \(0\) é um minorante de \(A\), e nenhum número superior a \(0\) é minorante. Com efeito, se \(m\gt 0\), podemos escolher \(x\in(0,m)\); então \(x\in A\) mas \(x\lt m\). Logo,

\[ \inf A=0. \]

O conjunto não tem máximo, porque \(1\notin A\), nem mínimo, porque \(0\notin A\).

Este exercício põe em evidência uma distinção fundamental: o supremo e o ínfimo podem existir mesmo quando o máximo e o mínimo não existem.


Exercício 2 — nível ★☆☆☆☆

Seja

\[ A=\left\{1-\frac1n:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\}. \]

Determinar o supremo, o ínfimo, o máximo e o mínimo de \(A\).

Resultado

Tem-se

\[ \sup A=1,\qquad \inf A=0. \]

O conjunto tem mínimo \(0\), mas não tem máximo.

Resolução

Os elementos de \(A\) são

\[ 0,\frac12,\frac23,\frac34,\ldots \]

Com efeito, para \(n=1\) obtemos

\[ 1-\frac11=0. \]

Para todo o \(n\ge 1\) tem-se

\[ 1-\frac1n\lt 1, \]

pelo que \(1\) é um majorante de \(A\).

Mostremos que é o menor dos majorantes. Se \(M\lt 1\), então \(1-M\gt 0\). Pela propriedade arquimediana dos números reais, existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ \frac1n\lt 1-M. \]

Desta desigualdade resulta

\[ M\lt 1-\frac1n. \]

Logo, \(M\) não é majorante de \(A\). Por conseguinte,

\[ \sup A=1. \]

Além disso, o primeiro elemento do conjunto é \(0\), e todos os restantes são maiores ou iguais a \(0\). Logo,

\[ \inf A=0, \]

e \(0\) é, de facto, o mínimo de \(A\).

O conjunto não tem máximo, uma vez que o seu supremo é \(1\) mas \(1\notin A\).


Exercício 3 — nível ★★☆☆☆

Seja

\[ A=\{x\in\mathbb R:x^2\lt 2\}. \]

Determinar \(\sup A\) e explicar por que razão a completude de \(\mathbb R\) é essencial.

Resultado

Tem-se

\[ \sup A=\sqrt2. \]

Resolução

O conjunto

\[ A=\{x\in\mathbb R:x^2\lt 2\} \]

é constituído por todos os números reais cujo quadrado é inferior a \(2\). Contém números tanto positivos como negativos e é não vazio, pois, por exemplo, \(1\in A\).

Além disso, \(A\) é majorado. Com efeito, se \(x\ge 2\), então

\[ x^2\ge 4\gt 2, \]

pelo que \(x\notin A\). Assim, \(2\) é um majorante de \(A\).

Pela completude de \(\mathbb R\), sendo \(A\) não vazio e majorado, existe

\[ \alpha=\sup A. \]

Intuitivamente, \(A\) é constituído pelos números

\[ -\sqrt2\lt x\lt \sqrt2, \]

pelo que o seu supremo é \(\sqrt2\).

O número \(\sqrt2\) é um majorante de \(A\). Com efeito, seja \(x\in A\), de modo que \(x^2\lt 2\). Se \(x\ge 0\), de \(x^2\lt 2\) resulta \(x\lt\sqrt2\); se, pelo contrário, \(x\lt 0\), então certamente \(x\lt\sqrt2\). Em qualquer dos casos, \(x\le\sqrt2\).

Além disso, nenhum número inferior a \(\sqrt2\) pode ser majorante. Com efeito, se \(M\lt\sqrt2\), podemos escolher um número real \(x\) tal que

\[ \max\{M,0\}\lt x\lt\sqrt2. \]

Então \(x\gt 0\) e \(x\lt\sqrt2\), pelo que

\[ x^2\lt 2. \]

Logo, \(x\in A\) e, como \(x\gt M\), o número \(M\) não é majorante de \(A\).

Concluímos, pois, que

\[ \sup A=\sqrt2. \]

A completude é essencial porque garante a existência do supremo como número real. Nos racionais, um conjunto análogo apresentaria uma “lacuna” precisamente em \(\sqrt2\), que não é racional.


Exercício 4 — nível ★★☆☆☆

Seja

\[ B=\{q\in\mathbb Q:q^2\lt 2\}. \]

Considerando \(B\) como subconjunto de \(\mathbb Q\), explicar por que razão não tem supremo em \(\mathbb Q\).

Resultado

O conjunto \(B\) não tem supremo em \(\mathbb Q\).

Resolução

O conjunto

\[ B=\{q\in\mathbb Q:q^2\lt 2\} \]

é não vazio, pois \(1\in B\), e é majorado em \(\mathbb Q\), uma vez que \(2\) é um majorante.

Suponhamos, por absurdo, que \(B\) possui supremo em \(\mathbb Q\). Seja

\[ s=\sup_{\mathbb Q} B. \]

Como \(1\in B\), tem-se \(s\ge 1\), e em particular \(s\gt 0\).

Mostremos agora que não pode ocorrer nem \(s^2\lt 2\) nem \(s^2\gt 2\).

Suponhamos primeiro que \(s^2\lt 2\). Escolhemos um número racional \(h\gt 0\) tão pequeno que

\[ h\lt 1 \qquad \text{e} \qquad h\lt \frac{2-s^2}{2s+1}. \]

Então \(h^2\lt h\), e portanto

\[ (s+h)^2=s^2+2sh+h^2\lt s^2+2sh+h=s^2+h(2s+1)\lt 2. \]

Como \(s+h\in\mathbb Q\), isto implica que \(s+h\in B\), com \(s+h\gt s\). Isto contradiz o facto de \(s\) ser um majorante de \(B\).

Suponhamos agora que \(s^2\gt 2\). Escolhemos um número racional \(h\gt 0\) tão pequeno que \(h\lt s\) e

\[ h\lt \frac{s^2-2}{2s}. \]

Então

\[ (s-h)^2=s^2-2sh+h^2\gt s^2-2sh\gt 2. \]

Afirmamos que \(s-h\) continua a ser um majorante de \(B\). Com efeito, se \(q\in B\) e \(q\ge s-h\), então, como \(s-h\gt 0\), teríamos

\[ q^2\ge (s-h)^2\gt 2, \]

em contradição com \(q\in B\). Logo, todo o \(q\in B\) satisfaz \(q\lt s-h\), pelo que \(s-h\) é um majorante de \(B\).

Mas \(s-h\lt s\), o que contradiz o facto de \(s\) ser o menor dos majorantes.

Por conseguinte, não pode ocorrer nem \(s^2\lt 2\) nem \(s^2\gt 2\). Teria de se verificar

\[ s^2=2. \]

Isto é impossível para \(s\in\mathbb Q\), porque nenhum número racional tem quadrado igual a \(2\).

Portanto, \(B\) é majorado em \(\mathbb Q\), mas não possui supremo em \(\mathbb Q\). Esta é uma das formas mais claras em que \(\mathbb Q\) deixa de ser completo.


Exercício 5 — nível ★★☆☆☆

Usando o axioma do supremo, demonstrar que todo o subconjunto não vazio e minorado de \(\mathbb R\) admite ínfimo.

Resultado

Todo o subconjunto não vazio e minorado de \(\mathbb R\) admite ínfimo.

Resolução

Seja \(A\subseteq\mathbb R\) um conjunto não vazio e minorado.

Consideremos o conjunto oposto

\[ -A=\{-x:x\in A\}. \]

Como \(A\) é não vazio, também \(-A\) é não vazio.

Como \(A\) é minorado, existe \(m\in\mathbb R\) tal que

\[ m\le x \]

para todo o \(x\in A\). Multiplicando por \(-1\), inverte-se a desigualdade:

\[ -x\le -m \]

para todo o \(x\in A\). Logo, \(-m\) é um majorante de \(-A\).

Pelo axioma do supremo, o conjunto \(-A\) — sendo não vazio e majorado — admite supremo. Ponhamos

\[ \alpha=\sup(-A). \]

Pretendemos mostrar que

\[ \inf A=-\alpha. \]

Como \(\alpha\) é um majorante de \(-A\), para todo o \(x\in A\) tem-se

\[ -x\le \alpha. \]

Multiplicando por \(-1\), obtemos

\[ x\ge -\alpha, \]

pelo que \(-\alpha\) é um minorante de \(A\).

Além disso, sendo \(\alpha\) o menor dos majorantes de \(-A\), o número \(-\alpha\) é o maior dos minorantes de \(A\). Por conseguinte,

\[ \inf A=-\sup(-A). \]


Exercício 6 — nível ★★☆☆☆

Demonstrar que, se \(A\subseteq\mathbb R\) é não vazio e majorado, então para todo o \(\varepsilon\gt 0\) existe \(a\in A\) tal que

\[ \sup A-\varepsilon\lt a\le \sup A. \]

Resultado

Para todo o \(\varepsilon\gt 0\), existem elementos de \(A\) arbitrariamente próximos do supremo, pela esquerda.

Resolução

Seja

\[ \alpha=\sup A. \]

Como \(\alpha\) é um majorante de \(A\), todo o \(a\in A\) satisfaz

\[ a\le \alpha. \]

Temos de demonstrar que existe pelo menos um elemento \(a\in A\) com

\[ \alpha-\varepsilon\lt a. \]

Suponhamos, por absurdo, que tal não se verifica. Então todo o \(a\in A\) satisfaria

\[ a\le \alpha-\varepsilon, \]

o que tornaria \(\alpha-\varepsilon\) um majorante de \(A\).

Mas

\[ \alpha-\varepsilon\lt \alpha, \]

o que contradiz o facto de \(\alpha\) ser o menor dos majorantes.

Logo, tem de existir \(a\in A\) tal que

\[ \alpha-\varepsilon\lt a. \]

Como, além disso, \(\alpha\) é majorante, tem-se também \(a\le \alpha\), donde

\[ \alpha-\varepsilon\lt a\le \alpha. \]


Exercício 7 — nível ★★★☆☆

Usando a completude de \(\mathbb R\), demonstrar que toda a sucessão crescente e majorada é convergente.

Resultado

Toda a sucessão crescente e majorada de números reais converge para o seu supremo.

Resolução

Seja \((a_n)\) uma sucessão crescente e majorada. Consideremos o conjunto dos seus valores:

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

O conjunto \(A\) é não vazio e é majorado, uma vez que a sucessão é majorada.

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

\[ \alpha=\sup A. \]

Demonstremos que

\[ a_n\to \alpha. \]

Seja \(\varepsilon\gt 0\). Pela caracterização do supremo, existe um elemento \(a_N\in A\) tal que

\[ \alpha-\varepsilon\lt a_N\le \alpha. \]

Como a sucessão é crescente, para todo o \(n\ge N\) tem-se

\[ a_N\le a_n. \]

Além disso, sendo \(\alpha\) um majorante de \(A\), tem-se

\[ a_n\le \alpha. \]

Assim, para todo o \(n\ge N\),

\[ \alpha-\varepsilon\lt a_n\le \alpha, \]

o que implica

\[ 0\le \alpha-a_n\lt \varepsilon. \]

Logo,

\[ |a_n-\alpha|\lt \varepsilon \]

para todo o \(n\ge N\). Por conseguinte, \(a_n\to\alpha\).


Exercício 8 — nível ★★★☆☆

Usando a completude de \(\mathbb R\), demonstrar que toda a sucessão decrescente e minorada é convergente.

Resultado

Toda a sucessão decrescente e minorada converge para o seu ínfimo.

Resolução

Seja \((a_n)\) uma sucessão decrescente e minorada. Consideremos o conjunto

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

O conjunto \(A\) é não vazio e é minorado.

Pelo exercício 5, que decorre do axioma do supremo, \(A\) admite ínfimo. Ponhamos

\[ \alpha=\inf A. \]

Pretendemos demonstrar que

\[ a_n\to\alpha. \]

Seja \(\varepsilon\gt 0\). Pela caracterização do ínfimo, existe um elemento \(a_N\in A\) tal que

\[ \alpha\le a_N\lt \alpha+\varepsilon. \]

Como a sucessão é decrescente, para todo o \(n\ge N\) tem-se

\[ a_n\le a_N. \]

Além disso, sendo \(\alpha\) um minorante de \(A\), para todo o \(n\) tem-se

\[ \alpha\le a_n. \]

Por conseguinte, para todo o \(n\ge N\),

\[ \alpha\le a_n\lt \alpha+\varepsilon, \]

donde

\[ |a_n-\alpha|\lt \varepsilon \]

para todo o \(n\ge N\). Logo, \(a_n\to\alpha\).


Exercício 9 — nível ★★★☆☆

Demonstrar que a sucessão

\[ a_n=1-\frac1n \]

é convergente, utilizando o teorema da convergência monótona.

Resultado

A sucessão é convergente e

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(1-\frac1n\right)=1. \]

Resolução

Consideremos

\[ a_n=1-\frac1n. \]

Mostremos primeiro que \((a_n)\) é crescente. Calculamos:

\[ a_{n+1}-a_n= \left(1-\frac1{n+1}\right)-\left(1-\frac1n\right) = \frac1n-\frac1{n+1}. \]

Como

\[ \frac1n-\frac1{n+1}=\frac1{n(n+1)}\gt 0, \]

a sucessão é crescente.

Além disso, para todo o \(n\ge 1\),

\[ a_n=1-\frac1n\le 1. \]

Logo, \((a_n)\) é crescente e majorada.

Pelo teorema da convergência monótona, que decorre da completude de \(\mathbb R\), a sucessão é convergente.

Como o conjunto dos seus valores tem supremo igual a \(1\), o limite é

\[ \lim_{n\to+\infty}a_n=1. \]


Exercício 10 — nível ★★★☆☆

Sejam \([a_n,b_n]\) intervalos fechados, limitados e não vazios tais que

\[ [a_1,b_1]\supseteq [a_2,b_2]\supseteq [a_3,b_3]\supseteq\cdots. \]

Demonstrar, usando a completude de \(\mathbb R\), que

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

Resultado

Uma sucessão decrescente de intervalos fechados e limitados não vazios tem intersecção não vazia.

Resolução

Como os intervalos estão encaixados, todo o extremo esquerdo \(a_n\) é menor ou igual a todo o extremo direito \(b_m\). Com efeito, para índices \(m\) e \(n\) quaisquer, o encaixe fornece sempre

\[ a_n\le b_m. \]

Consideremos o conjunto dos extremos esquerdos:

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

Este conjunto é não vazio e, além disso, é majorado, pois todo o \(b_m\) é um majorante de \(A\).

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

\[ \alpha=\sup A. \]

Como \(\alpha\) é um majorante de \(A\), para todo o \(n\) tem-se

\[ a_n\le \alpha. \]

Por outro lado, cada \(b_n\) é um majorante de \(A\). Sendo \(\alpha\) o menor dos majorantes, deve ter-se

\[ \alpha\le b_n \]

para todo o \(n\).

Demonstrámos, pois, que para todo o \(n\) se tem

\[ a_n\le \alpha\le b_n. \]

Isto significa que

\[ \alpha\in[a_n,b_n] \]

para todo o \(n\). Logo,

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

Por conseguinte, a intersecção é não vazia.


Exercício 11 — nível ★★★☆☆

Mostrar que a tese do exercício anterior pode falhar em \(\mathbb Q\).

Resultado

Em \(\mathbb Q\), uma sucessão de intervalos racionais fechados e encaixados pode ter intersecção vazia.

Resolução

Consideremos intervalos racionais que aproximam \(\sqrt2\) sem o conterem como número racional.

Por exemplo, escolhamos duas sucessões racionais \((a_n)\) e \((b_n)\) tais que

\[ a_n\lt \sqrt2\lt b_n \]

e

\[ b_n-a_n\to 0. \]

Consideremos os conjuntos

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

Podemos construí-los de modo que estejam encaixados:

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

Em \(\mathbb R\), a intersecção dos intervalos reais \([a_n,b_n]\) seria o conjunto singular

\[ \{\sqrt2\}. \]

Contudo,

\[ \sqrt2\notin\mathbb Q. \]

Assim, trabalhando dentro de \(\mathbb Q\), não resta nenhum número racional comum a todos os intervalos:

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

Isto mostra que o teorema dos intervalos encaixados depende da completude de \(\mathbb R\) e não é válido, em geral, em \(\mathbb Q\).


Exercício 12 — nível ★★★☆☆

Seja \(A\subseteq\mathbb R\) não vazio e majorado. Demonstrar que existe uma sucessão \((a_n)\) de elementos de \(A\) tal que

\[ a_n\to \sup A. \]

Resultado

Todo o supremo pode ser aproximado por uma sucessão de elementos do conjunto.

Resolução

Ponhamos

\[ \alpha=\sup A. \]

Para cada \(n\in\mathbb N\), aplicamos a caracterização do supremo com

\[ \varepsilon=\frac1n. \]

Obtém-se, então, um elemento \(a_n\in A\) tal que

\[ \alpha-\frac1n\lt a_n\le \alpha. \]

Obtemos assim uma sucessão \((a_n)\) de elementos de \(A\).

Da dupla desigualdade

\[ \alpha-\frac1n\lt a_n\le \alpha \]

resulta

\[ 0\le \alpha-a_n\lt \frac1n. \]

Como

\[ \frac1n\to 0, \]

pelo teorema do enquadramento obtemos

\[ \alpha-a_n\to 0. \]

Logo,

\[ a_n\to\alpha=\sup A. \]


Exercício 13 — nível ★★★★☆

Demonstrar que, se \(A,B\subseteq\mathbb R\) são não vazios, \(A\) é majorado e

\[ a\le b \]

para todo o \(a\in A\) e todo o \(b\in B\), então

\[ \sup A\le \inf B. \]

Resultado

Se todos os elementos de \(A\) se situam à esquerda de todos os elementos de \(B\), então \(\sup A\le\inf B\).

Resolução

Por hipótese,

\[ a\le b \]

para todo o \(a\in A\) e todo o \(b\in B\).

Fixemos um \(b\in B\) qualquer. Então \(b\) é um majorante de \(A\), pois todo o elemento de \(A\) é menor ou igual a \(b\).

Como \(\sup A\) é o menor dos majorantes de \(A\), tem-se

\[ \sup A\le b \]

para todo o \(b\in B\).

Logo, \(\sup A\) é um minorante de \(B\).

Como \(\inf B\) é o maior dos minorantes de \(B\) e \(\sup A\) é um minorante de \(B\), resulta

\[ \sup A\le \inf B. \]


Exercício 14 — nível ★★★★☆

Sejam \(A,B\subseteq\mathbb R\) não vazios e majorados. Demonstrar que

\[ \sup(A+B)=\sup A+\sup B, \]

onde

\[ A+B=\{a+b:a\in A,\ b\in B\}. \]

Resultado

O supremo da soma é a soma dos supremos.

Resolução

Ponhamos

\[ \alpha=\sup A,\qquad \beta=\sup B. \]

Para todo o \(a\in A\) tem-se \(a\le\alpha\), e para todo o \(b\in B\) tem-se \(b\le\beta\); logo,

\[ a+b\le \alpha+\beta. \]

Assim, \(\alpha+\beta\) é um majorante de \(A+B\), donde

\[ \sup(A+B)\le \alpha+\beta. \]

Demonstremos agora a desigualdade contrária. Seja \(\varepsilon\gt 0\). Pela caracterização do supremo, existem \(a_\varepsilon\in A\) e \(b_\varepsilon\in B\) tais que

\[ \alpha-\frac{\varepsilon}{2}\lt a_\varepsilon\le\alpha \]

e

\[ \beta-\frac{\varepsilon}{2}\lt b_\varepsilon\le\beta. \]

Somando membro a membro obtemos

\[ \alpha+\beta-\varepsilon \lt a_\varepsilon+b_\varepsilon \le \alpha+\beta. \]

Como \(a_\varepsilon+b_\varepsilon\in A+B\), nenhum número inferior a \(\alpha+\beta\) pode ser majorante de \(A+B\).

Por conseguinte,

\[ \sup(A+B)=\alpha+\beta=\sup A+\sup B. \]


Exercício 15 — nível ★★★★☆

Seja \(A\subseteq\mathbb R\) não vazio e majorado, e seja \(\lambda\gt 0\). Demonstrar que

\[ \sup(\lambda A)=\lambda\sup A, \]

onde

\[ \lambda A=\{\lambda a:a\in A\}. \]

Resultado

Para \(\lambda\gt 0\), o supremo comporta-se bem relativamente à multiplicação:

\[ \sup(\lambda A)=\lambda\sup A. \]

Resolução

Ponhamos

\[ \alpha=\sup A. \]

Para todo o \(a\in A\) tem-se

\[ a\le\alpha. \]

Como \(\lambda\gt 0\), ao multiplicar por \(\lambda\) o sentido da desigualdade não se altera:

\[ \lambda a\le\lambda\alpha. \]

Logo, \(\lambda\alpha\) é um majorante de \(\lambda A\).

Temos de mostrar que é o menor. Seja \(\varepsilon\gt 0\). Pela caracterização do supremo, existe \(a_\varepsilon\in A\) tal que

\[ \alpha-\frac{\varepsilon}{\lambda}\lt a_\varepsilon\le\alpha. \]

Multiplicando por \(\lambda\), obtemos

\[ \lambda\alpha-\varepsilon \lt \lambda a_\varepsilon \le \lambda\alpha. \]

Como \(\lambda a_\varepsilon\in\lambda A\), todo o número inferior a \(\lambda\alpha\) não chega a ser majorante de \(\lambda A\).

Por conseguinte,

\[ \sup(\lambda A)=\lambda\alpha=\lambda\sup A. \]


Exercício 16 — nível ★★★★☆

Demonstrar que a propriedade arquimediana decorre da completude de \(\mathbb R\): para todo o \(x\in\mathbb R\) existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ n\gt x. \]

Resultado

O conjunto \(\mathbb N\) não é majorado em \(\mathbb R\).

Resolução

Suponhamos, por absurdo, que a propriedade é falsa. Então existiria um número real \(x\) tal que

\[ n\le x \]

para todo o \(n\in\mathbb N\); por outras palavras, \(\mathbb N\) seria majorado.

Como \(\mathbb N\) é não vazio, pela completude de \(\mathbb R\) existiria

\[ \alpha=\sup\mathbb N. \]

Sendo \(\alpha\) o menor dos majorantes, o número \(\alpha-1\) não pode ser majorante de \(\mathbb N\).

Logo, existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ n\gt \alpha-1. \]

Somando \(1\), obtemos

\[ n+1\gt \alpha. \]

Mas \(n+1\in\mathbb N\), o que contradiz o facto de \(\alpha\) ser majorante de \(\mathbb N\).

Logo, \(\mathbb N\) não é majorado. Por conseguinte, para todo o \(x\in\mathbb R\) existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ n\gt x. \]


Exercício 17 — nível ★★★★☆

Usando a propriedade arquimediana, demonstrar que para todo o \(\varepsilon\gt 0\) existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ \frac1n\lt\varepsilon. \]

Resultado

A sucessão \(\displaystyle \frac1n\) converge para \(0\).

Resolução

Seja \(\varepsilon\gt 0\). Então

\[ \frac1\varepsilon\gt 0. \]

Pela propriedade arquimediana, existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ n\gt \frac1\varepsilon. \]

Como ambos os membros são positivos, invertendo, a desigualdade troca de sentido e obtemos

\[ \frac1n\lt \varepsilon. \]

Isto demonstra que, para todo o \(\varepsilon\gt 0\), existe \(n\) tal que \(\frac1n\lt\varepsilon\).

Além disso, se \(m\ge n\), então

\[ 0\lt \frac1m\le \frac1n\lt\varepsilon. \]

Logo,

\[ \frac1n\to 0. \]


Exercício 18 — nível ★★★★★

Demonstrar que entre dois números reais \(a\lt b\) existe pelo menos um número racional.

Resultado

Os números racionais são densos em \(\mathbb R\).

Resolução

Sejam \(a,b\in\mathbb R\) com

\[ a\lt b. \]

Então

\[ b-a\gt 0. \]

Pela propriedade arquimediana, existe \(n\in\mathbb N\) tal que

\[ n(b-a)\gt 1. \]

Equivalentemente,

\[ nb-na\gt 1. \]

A distância entre os números reais \(na\) e \(nb\) é, portanto, superior a \(1\). Assim, existe um inteiro \(m\in\mathbb Z\) tal que

\[ na\lt m\lt nb. \]

Dividindo por \(n\gt 0\), obtemos

\[ a\lt \frac mn\lt b. \]

O número

\[ q=\frac mn \]

é racional e pertence ao intervalo \((a,b)\).

Logo, entre dois números reais distintos existe sempre pelo menos um número racional.


Exercício 19 — nível ★★★★★

Demonstrar que entre dois números reais \(a\lt b\) existe pelo menos um número irracional.

Resultado

Os números irracionais são densos em \(\mathbb R\).

Resolução

Sejam \(a,b\in\mathbb R\) com

\[ a\lt b. \]

Pretendemos encontrar um número irracional compreendido entre \(a\) e \(b\).

Consideremos os números

\[ a-\sqrt2 \quad \text{e} \quad b-\sqrt2. \]

Como

\[ a-\sqrt2\lt b-\sqrt2, \]

pela densidade dos racionais em \(\mathbb R\) existe um racional \(q\in\mathbb Q\) tal que

\[ a-\sqrt2\lt q\lt b-\sqrt2. \]

Somando \(\sqrt2\) aos três membros, obtemos

\[ a\lt q+\sqrt2\lt b. \]

O número \(q+\sqrt2\) é irracional. Com efeito, se fosse racional, então

\[ \sqrt2=(q+\sqrt2)-q \]

seria diferença de dois racionais e, portanto, racional, o que é absurdo.

Logo, existe um número irracional compreendido entre \(a\) e \(b\).


Exercício 20 — nível ★★★★★

Seja \((a_n)\) uma sucessão de Cauchy em \(\mathbb R\). Explicar por que razão a completude de \(\mathbb R\) implica que \((a_n)\) é convergente.

Resultado

Toda a sucessão de Cauchy de números reais converge para um número real.

Resolução

Uma sucessão \((a_n)\) diz-se de Cauchy se, para todo o \(\varepsilon\gt 0\), existe \(N\in\mathbb N\) tal que, para todos os \(m,n\ge N\),

\[ |a_n-a_m|\lt\varepsilon. \]

Observemos primeiro que toda a sucessão de Cauchy é limitada. Tomando \(\varepsilon=1\), existe \(N\in\mathbb N\) tal que, para todo o \(n\ge N\),

\[ |a_n-a_N|\lt 1. \]

Portanto, para todo o \(n\ge N\),

\[ a_n\in(a_N-1,a_N+1). \]

Os termos \(a_1,\ldots,a_{N-1}\), por serem em número finito, também são limitados. Por conseguinte, toda a sucessão \((a_n)\) é limitada.

Pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, que decorre da completude de \(\mathbb R\), a sucessão limitada \((a_n)\) possui uma subsucessão convergente. Assim, existem um número real \(L\) e uma subsucessão \((a_{n_k})\) tais que

\[ a_{n_k}\to L. \]

Demonstremos agora que toda a sucessão converge para \(L\). Seja \(\varepsilon\gt 0\). Como \((a_n)\) é de Cauchy, existe \(N_1\in\mathbb N\) tal que, para todos os \(m,n\ge N_1\),

\[ |a_n-a_m|\lt \frac{\varepsilon}{2}. \]

Como \(a_{n_k}\to L\), existe \(k\) tal que \(n_k\ge N_1\) e

\[ |a_{n_k}-L|\lt \frac{\varepsilon}{2}. \]

Então, para todo o \(n\ge N_1\), tem-se

\[ |a_n-L|\le |a_n-a_{n_k}|+|a_{n_k}-L|\lt \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon. \]

Portanto,

\[ a_n\to L. \]

Assim, toda a sucessão de Cauchy de números reais converge para um número real. Esta é uma das formas equivalentes fundamentais da completude de \(\mathbb R\).


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  • Análise Matemática 1

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