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Teorema da Comparação para Sucessões: 20 Exercícios Resolvidos Passo a Passo

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By Pimath, 26 Junho, 2026

Nesta coleção, apresentamos 20 exercícios resolvidos passo a passo sobre o teorema da comparação para sucessões. O objetivo não é apenas calcular limites, mas aprender a reconhecer qual forma do teorema convém empregar: a comparação entre sucessões convergentes, o teorema do confronto ou a comparação com sucessões divergentes para \(+\infty\) ou para \(-\infty\).

O objetivo não é apenas calcular limites, mas aprender a reconhecer qual forma do teorema convém empregar: a comparação entre sucessões convergentes, o teorema do confronto ou a comparação com sucessões divergentes para \(+\infty\) ou para \(-\infty\).

 

Em cada exercício prestaremos atenção ao sentido das desigualdades e à condição de que estas sejam satisfeitas a partir de certo índice, isto é, de certo índice em diante. Este ponto é fundamental: para aplicar corretamente um teorema sobre limites não é necessário que uma desigualdade valha para todos os índices, mas é necessário provar que vale para todos os índices suficientemente grandes.

Os exercícios estão ordenados segundo uma dificuldade crescente. Nos primeiros utilizaremos estimativas imediatas, como \(-1\le \sin n\le 1\) ou \(-1\le \cos n\le 1\). Nos seguintes, por outro lado, será necessário construir estimativas mais finas e escolher com cuidado as sucessões a comparar.

Exercício 1 — nível ★☆☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sin n}{n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sin n}{n}=0. \]

Resolução

A dificuldade do exercício reside no facto de a sucessão \(\sin n\) não admitir limite. Com efeito, os valores de \(\sin n\) oscilam e não se aproximam de um único número real. Contudo, sabemos que o seno está sempre compreendido entre \(-1\) e \(1\). Portanto, para todo \(n\in\mathbb{N}\), tem-se

\[ -1\le \sin n\le 1. \]

Visto que queremos estudar \(\displaystyle \frac{\sin n}{n}\), dividimos todos os membros por \(n\). Para \(n\ge 1\) o número \(n\) é positivo, de modo que o sentido das desigualdades não muda:

\[ -\frac{1}{n}\le \frac{\sin n}{n}\le \frac{1}{n}. \]

Estudamos agora as duas sucessões exteriores. Tem-se

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(-\frac{1}{n}\right)=0 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{n}=0. \]

Assim, a sucessão \(\displaystyle \frac{\sin n}{n}\) fica compreendida, para todo \(n\ge 1\), entre duas sucessões que tendem ambas para \(0\). Pelo teorema do confronto segue-se que também a sucessão intermédia tende para \(0\). Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sin n}{n}=0. \]

Exercício 2 — nível ★☆☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(4+\frac{(-1)^n}{n}\right). \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(4+\frac{(-1)^n}{n}\right)=4. \]

Resolução

A sucessão \(((-1)^n)\) oscila entre \(1\) e \(-1\). Com efeito, para todo \(n\) tem-se

\[ -1\le (-1)^n\le 1. \]

Para \(n\ge 1\) dividimos todos os membros da desigualdade por \(n\). Como \(n\) é positivo, o sentido das desigualdades não muda:

\[ -\frac{1}{n}\le \frac{(-1)^n}{n}\le \frac{1}{n}. \]

Somamos agora \(4\) a todos os membros. Somar um mesmo número não altera o sentido das desigualdades, de modo que obtemos

\[ 4-\frac{1}{n}\le 4+\frac{(-1)^n}{n}\le 4+\frac{1}{n}. \]

Estudamos os limites das duas sucessões exteriores:

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(4-\frac{1}{n}\right)=4 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\left(4+\frac{1}{n}\right)=4. \]

A sucessão dada fica, portanto, compreendida, para todo \(n\ge 1\), entre duas sucessões que tendem ambas para \(4\). Pelo teorema do confronto, também a sucessão intermédia tende para \(4\). Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(4+\frac{(-1)^n}{n}\right)=4. \]

Exercício 3 — nível ★☆☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\cos n}{n+1}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\cos n}{n+1}=0. \]

Resolução

Também neste caso a sucessão \(\cos n\) não tem limite, porque oscila. No entanto, está sempre limitada entre \(-1\) e \(1\). Com efeito, para todo \(n\in\mathbb{N}\),

\[ -1\le \cos n\le 1. \]

Devemos dividir por \(n+1\). Para todo \(n\in\mathbb{N}\) tem-se \(n+1>0\). Portanto, podemos dividir todos os membros da desigualdade por \(n+1\) sem alterar o sentido das desigualdades:

\[ -\frac{1}{n+1}\le \frac{\cos n}{n+1}\le \frac{1}{n+1}. \]

As sucessões exteriores têm ambas limite \(0\); com efeito,

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(-\frac{1}{n+1}\right)=0 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{n+1}=0. \]

A sucessão \(\displaystyle \frac{\cos n}{n+1}\) fica, pois, compreendida entre duas sucessões que tendem para o mesmo limite. Pelo teorema do confronto conclui-se que

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\cos n}{n+1}=0. \]

Exercício 4 — nível ★★☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(1+\frac{\sin n}{n}\right). \]

Resultado

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

Resolução

A sucessão dada é formada por uma parte constante, igual a \(1\), e por uma parte oscilante, igual a \(\displaystyle \frac{\sin n}{n}\). Para determinar o limite, devemos mostrar que a parte oscilante tende para \(0\).

Para todo \(n\in\mathbb{N}\) sabemos que

\[ -1\le \sin n\le 1. \]

Para \(n\ge 1\), dividindo todos os membros por \(n\), obtemos

\[ -\frac{1}{n}\le \frac{\sin n}{n}\le \frac{1}{n}. \]

Somamos agora \(1\) a todos os membros da desigualdade. Somar um mesmo número a todos os membros não altera o sentido das desigualdades:

\[ 1-\frac{1}{n}\le 1+\frac{\sin n}{n}\le 1+\frac{1}{n}. \]

Estudamos os limites das duas sucessões exteriores:

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(1-\frac{1}{n}\right)=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)=1. \]

A sucessão dada fica, portanto, compreendida a partir de certa ordem entre duas sucessões que tendem ambas para \(1\). Pelo teorema do confronto,

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

Exercício 5 — nível ★★☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+n}}{n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+n}}{n}=1. \]

Resolução

Observemos antes de mais que, para \(n\ge 1\), o denominador \(n\) é positivo. Podemos, pois, reescrever a sucessão extraindo \(n^2\) de dentro da raiz:

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

Como \(n\ge 1\), tem-se \(\sqrt{n^2}=n\). Portanto

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

Devemos, pois, estudar o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\sqrt{1+\frac{1}{n}}. \]

Para aplicar o teorema do confronto, construímos uma estimativa de ambos os lados. Como \(\displaystyle \frac{1}{n}\ge 0\), tem-se

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

A função raiz quadrada é crescente nos números reais não negativos, de modo que

\[ 1\le \sqrt{1+\frac{1}{n}}. \]

Além disso, para todo \(x\ge 0\) vale a desigualdade

\[ \sqrt{1+x}\le 1+x. \]

Com efeito, ambos os membros são não negativos e, elevando ao quadrado, a desigualdade torna-se

\[ 1+x\le (1+x)^2. \]

Esta é verdadeira para \(x\ge 0\), porque

\[ (1+x)^2-(1+x)=x+x^2\ge 0. \]

Aplicando esta desigualdade com \(\displaystyle x=\frac{1}{n}\), obtemos

\[ \sqrt{1+\frac{1}{n}}\le 1+\frac{1}{n}. \]

Dispomos, portanto, da estimativa de ambos os lados

\[ 1\le \sqrt{1+\frac{1}{n}}\le 1+\frac{1}{n}. \]

Agora as duas sucessões exteriores tendem ambas para \(1\):

\[ \lim_{n\to+\infty}1=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)=1. \]

Pelo teorema do confronto segue-se que

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

Como a sucessão inicial coincide com \(\displaystyle \sqrt{1+\frac{1}{n}}\) para \(n\ge 1\), obtemos finalmente

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+n}}{n}=1. \]

Exercício 6 — nível ★★☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n+\cos n}{n}. \]

Resultado

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

Resolução

A sucessão contém o termo oscilante \(\cos n\). Por si só, \(\cos n\) não admite limite, mas está sempre compreendido entre \(-1\) e \(1\). Com efeito, para todo \(n\in\mathbb{N}\),

\[ -1\le \cos n\le 1. \]

Somamos \(n\) a todos os membros da desigualdade. Obtemos

\[ n-1\le n+\cos n\le n+1. \]

Agora dividimos todos os membros por \(n\). Para \(n\ge 1\) o número \(n\) é positivo, de modo que o sentido das desigualdades não muda:

\[ \frac{n-1}{n}\le \frac{n+\cos n}{n}\le \frac{n+1}{n}. \]

Simplificamos as duas sucessões exteriores:

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

Assim, para todo \(n\ge 1\), temos

\[ 1-\frac{1}{n}\le \frac{n+\cos n}{n}\le 1+\frac{1}{n}. \]

As duas sucessões exteriores tendem ambas para \(1\); com efeito,

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(1-\frac{1}{n}\right)=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)=1. \]

Pelo teorema do confronto, também a sucessão intermédia tende para \(1\). Por conseguinte

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

Exercício 7 — nível ★★☆☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{(-1)^n+\sin n}{\sqrt{n}}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{(-1)^n+\sin n}{\sqrt{n}}=0. \]

Resolução

O numerador contém dois termos oscilantes: \((-1)^n\) e \(\sin n\). Nenhum dos dois possui limite, mas ambos estão limitados. Com efeito, para todo \(n\),

\[ |(-1)^n|=1 \]

e

\[ |\sin n|\le 1. \]

Empregamos agora a desigualdade triangular:

\[ |(-1)^n+\sin n|\le |(-1)^n|+|\sin n|. \]

Como \(|(-1)^n|=1\) e \(|\sin n|\le 1\), obtemos

\[ |(-1)^n+\sin n|\le 2. \]

Dividindo por \(\sqrt{n}\), que é positivo para todo \(n\ge 1\), segue-se que

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

Além disso, um valor absoluto é sempre não negativo, de modo que

\[ 0\le \left|\frac{(-1)^n+\sin n}{\sqrt{n}}\right| \le \frac{2}{\sqrt{n}}. \]

Agora as duas sucessões exteriores tendem para \(0\):

\[ \lim_{n\to+\infty}0=0 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\frac{2}{\sqrt{n}}=0. \]

Pelo teorema do confronto,

\[ \lim_{n\to+\infty} \left|\frac{(-1)^n+\sin n}{\sqrt{n}}\right| =0. \]

Se o valor absoluto de uma sucessão tende para \(0\), então também a sucessão tende para \(0\). Com efeito, a distância da sucessão a \(0\) tende para \(0\). Portanto

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{(-1)^n+\sin n}{\sqrt{n}}=0. \]

Exercício 8 — nível ★★☆☆☆

Estudar o limite da sucessão

\[ a_n=n^2+\sin n. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(n^2+\sin n\right)=+\infty. \]

Resolução

A sucessão \(n^2+\sin n\) é a soma de um termo que tende para \(+\infty\), a saber, \(n^2\), e de um termo oscilante, a saber, \(\sin n\). Como \(\sin n\) permanece sempre compreendido entre \(-1\) e \(1\), não pode compensar o crescimento de \(n^2\).

Para tornar rigoroso este raciocínio, empregamos a estimativa

\[ \sin n\ge -1. \]

Somando \(n^2\) a ambos os membros, obtemos

\[ n^2+\sin n\ge n^2-1. \]

Observamos agora que

\[ \lim_{n\to+\infty}(n^2-1)=+\infty. \]

Encontrámos, pois, uma sucessão, \(n^2-1\), que tende para \(+\infty\) e é menor ou igual à sucessão dada:

\[ n^2-1\le n^2+\sin n. \]

Pela comparação com sucessões divergentes para \(+\infty\), se uma sucessão é minorada a partir de certa ordem por uma sucessão que tende para \(+\infty\), então ela também tende para \(+\infty\).

Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(n^2+\sin n\right)=+\infty. \]

Exercício 9 — nível ★★☆☆☆

Estudar o limite da sucessão

\[ b_n=-n+\cos n. \]

Resultado

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

Resolução

A sucessão \(-n+\cos n\) contém o termo \(-n\), que tende para \(-\infty\), e o termo \(\cos n\), que pelo contrário oscila permanecendo sempre limitado entre \(-1\) e \(1\). Intuitivamente, a oscilação de \(\cos n\) não pode impedir que a sucessão desça para \(-\infty\).

Para o provar de modo rigoroso, empregamos a estimativa superior

\[ \cos n\le 1. \]

Somando \(-n\) a ambos os membros, obtemos

\[ -n+\cos n\le -n+1. \]

Observamos agora que

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

Assim, a sucessão dada está majorada por uma sucessão que tende para \(-\infty\):

\[ -n+\cos n\le -n+1. \]

Na comparação com sucessões divergentes para \(-\infty\), o sentido é fundamental: para concluir que uma sucessão tende para \(-\infty\), é preciso majorá-la mediante uma sucessão que tenda para \(-\infty\). E é precisamente o que fizemos.

Por conseguinte

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

Exercício 10 — nível ★★★☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+\sin n}}{n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+\sin n}}{n}=1. \]

Resolução

A presença de \(\sin n\) dentro da raiz pode tornar o limite menos imediato. No entanto, \(\sin n\) é um termo limitado, ao passo que \(n^2\) cresce indefinidamente. Esperamos, pois, que o comportamento principal da raiz seja o de \(\sqrt{n^2}=n\), e portanto que o quociente tenda para \(1\).

Para tornar rigoroso o raciocínio, partimos da estimativa fundamental

\[ -1\le \sin n\le 1. \]

Somando \(n^2\) a todos os membros, obtemos

\[ n^2-1\le n^2+\sin n\le n^2+1. \]

Para \(n\ge 1\), os termos envolvidos são não negativos. Como a função raiz quadrada é crescente nos números reais não negativos, podemos aplicar a raiz quadrada a todos os membros:

\[ \sqrt{n^2-1}\le \sqrt{n^2+\sin n}\le \sqrt{n^2+1}. \]

Dividimos agora por \(n\). Para \(n\ge 1\) o número \(n\) é positivo, de modo que o sentido das desigualdades não muda:

\[ \frac{\sqrt{n^2-1}}{n} \le \frac{\sqrt{n^2+\sin n}}{n} \le \frac{\sqrt{n^2+1}}{n}. \]

Reescrevemos as duas sucessões exteriores. Como \(n\ge 1\), tem-se \(\sqrt{n^2}=n\), de modo que

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

e

\[ \frac{\sqrt{n^2+1}}{n} = \sqrt{\frac{n^2+1}{n^2}} = \sqrt{1+\frac{1}{n^2}}. \]

Assim, obtivemos a estimativa

\[ \sqrt{1-\frac{1}{n^2}} \le \frac{\sqrt{n^2+\sin n}}{n} \le \sqrt{1+\frac{1}{n^2}}. \]

Agora

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(1-\frac{1}{n^2}\right)=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\left(1+\frac{1}{n^2}\right)=1. \]

Como a raiz quadrada é contínua nos pontos positivos, segue-se que

\[ \lim_{n\to+\infty}\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\sqrt{1+\frac{1}{n^2}}=1. \]

A sucessão dada fica, portanto, compreendida a partir de certa ordem entre duas sucessões que tendem ambas para \(1\). Pelo teorema do confronto,

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^2+\sin n}}{n}=1. \]

Exercício 11 — nível ★★★☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n+\sin n}{n+\cos n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n+\sin n}{n+\cos n}=1. \]

Resolução

A sucessão contém dois termos oscilantes, \(\sin n\) e \(\cos n\). No entanto, ambos estão limitados, ao passo que o termo \(n\) cresce indefinidamente. Por isso esperamos que o quociente se comporte como

\[ \frac{n}{n}=1. \]

Para o provar rigorosamente, estudamos a distância da sucessão ao candidato a limite \(1\):

\[ \left|\frac{n+\sin n}{n+\cos n}-1\right|. \]

Reduzimos ao mesmo denominador:

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

Simplificando o numerador, obtemos

\[ \left|\frac{n+\sin n}{n+\cos n}-1\right| = \left|\frac{\sin n-\cos n}{n+\cos n}\right|. \]

Agora devemos estimar separadamente o numerador e o denominador. Para o numerador, usando a desigualdade triangular, tem-se

\[ |\sin n-\cos n|\le |\sin n|+|\cos n|\le 2. \]

Para o denominador, como \(\cos n\ge -1\), tem-se

\[ n+\cos n\ge n-1. \]

Em particular, para \(n\ge 2\), o denominador é positivo e

\[ |n+\cos n|=n+\cos n\ge n-1. \]

Portanto, para todo \(n\ge 2\),

\[ 0\le \left|\frac{n+\sin n}{n+\cos n}-1\right| \le \frac{2}{n-1}. \]

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{2}{n-1}=0, \]

pelo teorema do confronto obtemos

\[ \lim_{n\to+\infty} \left|\frac{n+\sin n}{n+\cos n}-1\right|=0. \]

Isto significa que a distância entre a sucessão dada e \(1\) tende para \(0\). Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n+\sin n}{n+\cos n}=1. \]

Exercício 12 — nível ★★★☆☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{2n+(-1)^n}{3n+\sin n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{2n+(-1)^n}{3n+\sin n}=\frac{2}{3}. \]

Resolução

O termo dominante no numerador é \(2n\), ao passo que o termo dominante no denominador é \(3n\). Os termos \((-1)^n\) e \(\sin n\), pelo contrário, estão limitados. Por isso o candidato a limite é

\[ \frac{2n}{3n}=\frac{2}{3}. \]

Para o provar mediante o teorema da comparação, consideramos a distância da sucessão ao candidato a limite:

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

Reduzimos ao mesmo denominador:

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

Desenvolvemos o numerador:

\[ 3(2n+(-1)^n)-2(3n+\sin n) = 6n+3(-1)^n-6n-2\sin n. \]

Portanto

\[ 3(2n+(-1)^n)-2(3n+\sin n) = 3(-1)^n-2\sin n. \]

Obtemos, pois,

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

Estimamos o numerador. Pela desigualdade triangular,

\[ |3(-1)^n-2\sin n| \le 3|(-1)^n|+2|\sin n|. \]

Como \(|(-1)^n|=1\) e \(|\sin n|\le 1\), segue-se que

\[ |3(-1)^n-2\sin n|\le 5. \]

Estimamos agora o denominador. Como \(\sin n\ge -1\), tem-se

\[ 3n+\sin n\ge 3n-1. \]

Para todo \(n\ge 1\), o número \(3n-1\) é positivo, de modo que também \(3n+\sin n\) é positivo. Em consequência

\[ |3n+\sin n|=3n+\sin n\ge 3n-1. \]

Portanto, para todo \(n\ge 1\),

\[ 0\le \left|\frac{2n+(-1)^n}{3n+\sin n}-\frac{2}{3}\right| \le \frac{5}{3(3n-1)}. \]

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{5}{3(3n-1)}=0, \]

pelo teorema do confronto tem-se

\[ \lim_{n\to+\infty} \left|\frac{2n+(-1)^n}{3n+\sin n}-\frac{2}{3}\right|=0. \]

Isto significa que a sucessão dada tende para \(\displaystyle \frac{2}{3}\). Portanto

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{2n+(-1)^n}{3n+\sin n}=\frac{2}{3}. \]

Exercício 13 — nível ★★★☆☆

Estudar o limite da sucessão

\[ a_n=n+(-1)^n\sqrt{n}. \]

Resultado

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

Resolução

A sucessão contém um termo principal, \(n\), que tende para \(+\infty\), e um termo oscilante, \((-1)^n\sqrt{n}\), que pode ser positivo ou negativo. Não podemos, pois, afirmar simplesmente que todos os termos são maiores do que \(n\), porque quando \((-1)^n=-1\) o segundo termo subtrai \(\sqrt{n}\).

Para provar que a sucessão tende, ainda assim, para \(+\infty\), devemos encontrar uma estimativa inferior que tenda para \(+\infty\).

Como \((-1)^n\ge -1\), multiplicando por \(\sqrt{n}\ge 0\) obtemos

\[ (-1)^n\sqrt{n}\ge -\sqrt{n}. \]

Somando \(n\) a ambos os membros, segue-se que

\[ n+(-1)^n\sqrt{n}\ge n-\sqrt{n}. \]

Agora devemos mostrar que \(n-\sqrt{n}\to+\infty\). Para \(n\ge 4\), tem-se

\[ \sqrt{n}\le \frac{n}{2}. \]

Com efeito, como ambos os membros são não negativos, podemos elevar ao quadrado e obter uma desigualdade equivalente:

\[ n\le \frac{n^2}{4}. \]

Para \(n>0\), isto equivale a

\[ 4\le n, \]

que é verdadeiro para \(n\ge 4\).

Assim, para \(n\ge 4\),

\[ n-\sqrt{n}\ge n-\frac{n}{2}=\frac{n}{2}. \]

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n}{2}=+\infty, \]

também \(n-\sqrt{n}\to+\infty\). Além disso, provámos que, a partir de certa ordem,

\[ n+(-1)^n\sqrt{n}\ge n-\sqrt{n}. \]

Pela comparação com sucessões divergentes para \(+\infty\), a sucessão dada tende para \(+\infty\). Por conseguinte

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

Exercício 14 — nível ★★★☆☆

Estudar o limite da sucessão

\[ b_n=-n^2+n\sin n. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(-n^2+n\sin n\right)=-\infty. \]

Resolução

A sucessão contém o termo \(-n^2\), que tende para \(-\infty\), e o termo \(n\sin n\), que pode ser positivo ou negativo. Embora \(n\sin n\) não seja limitado, cresce quando muito como \(n\), ao passo que \(n^2\) cresce muito mais depressa.

Para provar rigorosamente que a sucessão tende para \(-\infty\), devemos encontrar uma estimativa superior que tenda para \(-\infty\).

Como \(\sin n\le 1\), multiplicando por \(n\ge 0\) obtemos

\[ n\sin n\le n. \]

Somando \(-n^2\) a ambos os membros, segue-se que

\[ -n^2+n\sin n\le -n^2+n. \]

Agora mostramos que a sucessão da direita tende para \(-\infty\). Tem-se

\[ -n^2+n=-n(n-1). \]

Para \(n\ge 2\), vale \(n-1\ge \frac{n}{2}\). Com efeito,

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

equivale a

\[ \frac{n}{2}\ge 1, \]

isto é, \(n\ge 2\). Portanto, para \(n\ge 2\),

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

Multiplicando por \(-1\), o sentido da desigualdade inverte-se:

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

Por conseguinte, para \(n\ge 2\),

\[ -n^2+n\le -\frac{n^2}{2}. \]

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(-\frac{n^2}{2}\right)=-\infty, \]

também

\[ \lim_{n\to+\infty}(-n^2+n)=-\infty. \]

Encontrámos, pois, uma sucessão que tende para \(-\infty\) e que majora a partir de certa ordem a sucessão dada:

\[ -n^2+n\sin n\le -n^2+n. \]

Pela comparação com sucessões divergentes para \(-\infty\), segue-se que

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(-n^2+n\sin n\right)=-\infty. \]

Exercício 15 — nível ★★★★☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(\sqrt{n^2+\sin n}-n\right). \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(\sqrt{n^2+\sin n}-n\right)=0. \]

Resolução

A expressão contém uma diferença entre duas quantidades ambas grandes: \(\sqrt{n^2+\sin n}\) e \(n\). À primeira vista, não é imediato compreender o comportamento da diferença. Por isso convém racionalizar.

Multiplicamos e dividimos pelo conjugado:

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

No numerador usamos a fórmula

\[ (A-B)(A+B)=A^2-B^2. \]

Com

\[ A=\sqrt{n^2+\sin n} \qquad\text{e}\qquad B=n, \]

obtemos

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

Portanto

\[ \sqrt{n^2+\sin n}-n = \frac{\sin n}{\sqrt{n^2+\sin n}+n}. \]

Agora estimamos o valor absoluto:

\[ \left|\sqrt{n^2+\sin n}-n\right| = \left|\frac{\sin n}{\sqrt{n^2+\sin n}+n}\right|. \]

Como \(|\sin n|\le 1\), temos

\[ \left|\sqrt{n^2+\sin n}-n\right| \le \frac{1}{\sqrt{n^2+\sin n}+n}. \]

Devemos agora minorar o denominador. Como \(\sin n\ge -1\), tem-se

\[ n^2+\sin n\ge n^2-1. \]

Para \(n\ge 1\), os dois membros são não negativos, de modo que, aplicando a raiz quadrada,

\[ \sqrt{n^2+\sin n}\ge \sqrt{n^2-1}. \]

Portanto

\[ \sqrt{n^2+\sin n}+n \ge \sqrt{n^2-1}+n. \]

Em particular, como \(\sqrt{n^2-1}\ge 0\), para \(n\ge 1\) tem-se

\[ \sqrt{n^2+\sin n}+n\ge n. \]

Portanto

\[ 0\le \left|\sqrt{n^2+\sin n}-n\right| \le \frac{1}{n}. \]

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{n}=0, \]

pelo teorema do confronto segue-se que

\[ \lim_{n\to+\infty} \left|\sqrt{n^2+\sin n}-n\right|=0. \]

Se a distância da sucessão a \(0\) tende para \(0\), então a própria sucessão tende para \(0\). Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(\sqrt{n^2+\sin n}-n\right)=0. \]

Exercício 16 — nível ★★★★☆

Calcular o limite

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

Resultado

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

Resolução

A expressão contém uma diferença entre duas quantidades que tendem ambas para \(1\):

\[ \sqrt{1+\frac{1}{n}} \qquad\text{e}\qquad 1. \]

Para evitar uma forma pouco legível, racionalizamos a diferença. Multiplicamos e dividimos pelo conjugado:

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

No numerador usamos a fórmula

\[ (A-B)(A+B)=A^2-B^2. \]

Com

\[ A=\sqrt{1+\frac{1}{n}} \qquad\text{e}\qquad B=1, \]

obtemos

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

Portanto

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

Simplificando \(n\) com \(\displaystyle \frac{1}{n}\), obtém-se

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

Agora construímos uma estimativa. Como \(\displaystyle \frac{1}{n}\ge 0\), tem-se

\[ 1\le \sqrt{1+\frac{1}{n}}. \]

Além disso, para todo \(x\ge 0\) vale

\[ \sqrt{1+x}\le 1+x. \]

Aplicando esta desigualdade com \(\displaystyle x=\frac{1}{n}\), obtemos

\[ \sqrt{1+\frac{1}{n}}\le 1+\frac{1}{n}. \]

Assim

\[ 1\le \sqrt{1+\frac{1}{n}}\le 1+\frac{1}{n}. \]

Somando \(1\) a todos os membros,

\[ 2\le \sqrt{1+\frac{1}{n}}+1\le 2+\frac{1}{n}. \]

Todos os membros são positivos. Passando aos inversos, o sentido das desigualdades inverte-se:

\[ \frac{1}{2+\frac{1}{n}} \le \frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}+1} \le \frac{1}{2}. \]

As duas sucessões exteriores tendem ambas para \(\displaystyle \frac{1}{2}\); com efeito,

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{2+\frac{1}{n}}=\frac{1}{2} \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{2}=\frac{1}{2}. \]

Pelo teorema do confronto,

\[ \lim_{n\to+\infty} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}}+1} = \frac{1}{2}. \]

Como a sucessão inicial coincide com esta expressão, concluímos que

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

Exercício 17 — nível ★★★★☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n^2}{n^3+(-1)^n}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n^2}{n^3+(-1)^n}=0. \]

Resolução

O denominador contém o termo dominante \(n^3\) e o termo oscilante \((-1)^n\). Como \((-1)^n\) toma unicamente os valores \(1\) e \(-1\), o seu efeito é desprezável face a \(n^3\).

Para aplicar o teorema do confronto, devemos obter uma cota superior adequada para a sucessão. Para todo \(n\), tem-se

\[ (-1)^n\ge -1. \]

Portanto

\[ n^3+(-1)^n\ge n^3-1. \]

Para \(n\ge 2\), temos

\[ n^3-1\ge \frac{n^3}{2}. \]

Com efeito, esta desigualdade equivale a

\[ \frac{n^3}{2}\ge 1, \]

que é verdadeira para \(n\ge 2\). Assim, para \(n\ge 2\),

\[ n^3+(-1)^n\ge \frac{n^3}{2}. \]

Em particular, o denominador é positivo a partir de certa ordem. Portanto, para \(n\ge 2\),

\[ 0\le \frac{n^2}{n^3+(-1)^n} \le \frac{n^2}{\frac{n^3}{2}}. \]

Simplificando o termo da direita,

\[ \frac{n^2}{\frac{n^3}{2}} = \frac{2n^2}{n^3} = \frac{2}{n}. \]

Temos, pois,

\[ 0\le \frac{n^2}{n^3+(-1)^n}\le \frac{2}{n} \]

a partir de certa ordem. Como

\[ \lim_{n\to+\infty}0=0 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\frac{2}{n}=0, \]

pelo teorema do confronto segue-se que

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n^2}{n^3+(-1)^n}=0. \]

Exercício 18 — nível ★★★★☆

Estudar o limite da sucessão

\[ a_n=n^2+n(-1)^n. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(n^2+n(-1)^n\right)=+\infty. \]

Resolução

A sucessão contém um termo principal \(n^2\), que tende para \(+\infty\), e um termo oscilante \(n(-1)^n\), que pode ser igual a \(n\) ou a \(-n\). O caso mais desfavorável, para provar a divergência para \(+\infty\), ocorre quando o termo oscilante é negativo.

Como

\[ (-1)^n\ge -1, \]

multiplicando por \(n\ge 0\) obtemos

\[ n(-1)^n\ge -n. \]

Somando \(n^2\) a ambos os membros,

\[ n^2+n(-1)^n\ge n^2-n. \]

Agora mostramos que a sucessão \(n^2-n\) tende para \(+\infty\). Tem-se

\[ n^2-n=n(n-1). \]

Para \(n\ge 2\), vale

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

Portanto, para \(n\ge 2\),

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

Como

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{n^2}{2}=+\infty, \]

também \(n^2-n\to+\infty\). Encontrámos, pois, uma estimativa inferior:

\[ n^2+n(-1)^n\ge n^2-n, \]

onde a sucessão da direita tende para \(+\infty\).

Pela comparação com sucessões divergentes para \(+\infty\), concluímos que

\[ \lim_{n\to+\infty}\left(n^2+n(-1)^n\right)=+\infty. \]

Exercício 19 — nível ★★★★☆

Calcular o limite

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^4+n^2\sin n}}{n^2}. \]

Resultado

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^4+n^2\sin n}}{n^2}=1. \]

Resolução

O termo principal dentro da raiz é \(n^4\), ao passo que \(n^2\sin n\) é um termo oscilante de ordem inferior. Esperamos, pois, que a raiz se comporte como

\[ \sqrt{n^4}=n^2. \]

Para o provar rigorosamente, partimos da estimativa

\[ -1\le \sin n\le 1. \]

Multiplicando todos os membros por \(n^2\), que é não negativo, obtemos

\[ -n^2\le n^2\sin n\le n^2. \]

Somando \(n^4\) a todos os membros,

\[ n^4-n^2\le n^4+n^2\sin n\le n^4+n^2. \]

Para \(n\ge 1\), os três membros são não negativos. Como a função raiz quadrada é crescente nos números reais não negativos, podemos aplicar a raiz quadrada a todos os membros:

\[ \sqrt{n^4-n^2} \le \sqrt{n^4+n^2\sin n} \le \sqrt{n^4+n^2}. \]

Dividimos agora por \(n^2\), que é positivo para \(n\ge 1\):

\[ \frac{\sqrt{n^4-n^2}}{n^2} \le \frac{\sqrt{n^4+n^2\sin n}}{n^2} \le \frac{\sqrt{n^4+n^2}}{n^2}. \]

Reescrevemos as sucessões exteriores:

\[ \frac{\sqrt{n^4-n^2}}{n^2} = \sqrt{\frac{n^4-n^2}{n^4}} = \sqrt{1-\frac{1}{n^2}}, \]

e

\[ \frac{\sqrt{n^4+n^2}}{n^2} = \sqrt{\frac{n^4+n^2}{n^4}} = \sqrt{1+\frac{1}{n^2}}. \]

Portanto

\[ \sqrt{1-\frac{1}{n^2}} \le \frac{\sqrt{n^4+n^2\sin n}}{n^2} \le \sqrt{1+\frac{1}{n^2}}. \]

As duas sucessões exteriores tendem ambas para \(1\):

\[ \lim_{n\to+\infty}\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}=1 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}\sqrt{1+\frac{1}{n^2}}=1. \]

Pelo teorema do confronto, também a sucessão intermédia tende para \(1\). Por conseguinte

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{\sqrt{n^4+n^2\sin n}}{n^2}=1. \]

Exercício 20 — nível ★★★★★

Determinar se, do simples facto de uma sucessão \((b_n)\) satisfazer, a partir de certa ordem,

\[ 0\le b_n\le 1, \]

se pode concluir que \((b_n)\) é convergente.

Resultado

Não. Do simples facto de \(0\le b_n\le 1\) a partir de certa ordem não se pode concluir que \((b_n)\) seja convergente.

Resolução

O teorema do confronto permite concluir a convergência de uma sucessão intermédia quando esta fica compreendida, a partir de certa ordem, entre duas sucessões que tendem para o mesmo limite. Aqui, pelo contrário, sabemos apenas que

\[ 0\le b_n\le 1 \]

a partir de certa ordem. As duas sucessões exteriores são as sucessões constantes \(0\) e \(1\), que têm limites distintos:

\[ \lim_{n\to+\infty}0=0 \qquad\text{e}\qquad \lim_{n\to+\infty}1=1. \]

Como os dois limites exteriores não coincidem, o teorema do confronto não é aplicável. A desigualdade diz-nos apenas que os termos de \((b_n)\) permanecem no intervalo \([0,1]\), mas isto não basta para garantir a existência do limite.

Para mostrar que não se pode concluir a convergência, basta dar um contraexemplo. Consideremos a sucessão

\[ b_n=\frac{1+(-1)^n}{2}. \]

Se \(n\) é par, então \((-1)^n=1\), de modo que

\[ b_n=\frac{1+1}{2}=1. \]

Se \(n\) é ímpar, então \((-1)^n=-1\), de modo que

\[ b_n=\frac{1-1}{2}=0. \]

Assim, a sucessão toma alternadamente os valores \(1\) e \(0\). Em particular, para todo \(n\),

\[ 0\le b_n\le 1. \]

Contudo, \((b_n)\) não converge. Com efeito, uma subsucessão dos seus termos vale sempre \(1\), ao passo que outra subsucessão vale sempre \(0\). Mais precisamente,

\[ b_{2k}=1 \qquad\text{e}\qquad b_{2k+1}=0. \]

A subsucessão \((b_{2k})\) tende para \(1\), ao passo que a subsucessão \((b_{2k+1})\) tende para \(0\). Como uma sucessão convergente não pode ter duas subsucessões com limites distintos, \((b_n)\) não é convergente.

Portanto, do simples facto de uma sucessão ficar compreendida, a partir de certa ordem, entre \(0\) e \(1\), não se pode concluir que seja convergente. Para aplicar o teorema do confronto é indispensável que as duas sucessões exteriores tendam para o mesmo limite.


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  • Análise Matemática 1

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