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Funções Contínuas: Definição, Propriedades e Teoremas

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By Pimath, 30 Agosto, 2026

Intuitivamente, uma função contínua é uma função cujo comportamento não sofre variações bruscas: valores da variável independente suficientemente próximos produzem valores da função igualmente próximos.

Esta ideia intuitiva torna-se rigorosa através da definição de continuidade. Fixada uma precisão arbitrária sobre os valores da função, deve ser possível determinar o quanto \(x\) deve aproximar-se de um ponto \(x_0\) para que essa precisão fique garantida.

Quando \(x_0\) é um ponto de acumulação do domínio, esta propriedade equivale à relação fundamental

\[ \lim_{x\to x_0} f(x)=f(x_0). \]

A continuidade constitui um dos conceitos centrais da Análise Matemática. Neste artigo estudaremos a sua definição rigorosa, a continuidade lateral e em intervalos, as operações que a preservam, as principais funções contínuas e os diferentes tipos de descontinuidade. Veremos ainda alguns resultados fundamentais, entre os quais o teorema da conservação do sinal, o teorema de Bolzano, o teorema do valor intermédio, o teorema de Weierstrass e o teorema da continuidade da função inversa.


Índice

  • Continuidade de uma função num ponto
  • Continuidade à direita e à esquerda
  • Continuidade num intervalo
  • Operações com funções contínuas
  • Continuidade das funções elementares
  • Pontos de descontinuidade
  • Teorema da conservação do sinal para funções contínuas
  • Teorema de Bolzano e teorema do valor intermédio
  • Teorema de Weierstrass
  • Continuidade da função inversa

Continuidade de uma função num ponto

Seja \[ f:A\to\mathbb{R} \] uma função e seja \(x_0\in A\).

Definição. A função \(f\) diz-se contínua em \(x_0\) se, para todo \(\varepsilon>0\), existir \(\delta>0\) tal que, para todo \(x\in A\),

\[ |x-x_0|<\delta \quad\Longrightarrow\quad |f(x)-f(x_0)|<\varepsilon. \]

O significado da definição é preciso. O número \(\varepsilon\) determina quão próximo de \(f(x_0)\) queremos que \(f(x)\) esteja; uma vez escolhido um \(\varepsilon>0\) qualquer, devemos conseguir determinar um número \(\delta>0\) tal que todo \(x\) do domínio suficientemente próximo de \(x_0\) produza um valor \(f(x)\) cuja distância a \(f(x_0)\) seja inferior a \(\varepsilon\).

Por outras palavras, podemos tornar a distância

\[ |f(x)-f(x_0)| \]

tão pequena quanto se queira, escolhendo \(x\) suficientemente próximo de \(x_0\).

Continuidade e limite

Se \(x_0\) é um ponto de acumulação do domínio \(A\), a continuidade de \(f\) em \(x_0\) é equivalente à condição

\[ \lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0). \]

Esta igualdade exprime a relação fundamental entre limite e continuidade. O limite descreve o comportamento dos valores \(f(x)\) quando \(x\) se aproxima de \(x_0\); a continuidade exige que esse comportamento seja coerente com o valor que a função efetivamente assume no ponto.

Portanto, quando \(x_0\) é um ponto de acumulação do domínio, para verificar a continuidade por meio de limites devem ser satisfeitas três condições:

  • \(f(x_0)\) deve estar definido;
  • deve existir o limite \[ \lim_{x\to x_0}f(x); \]
  • o limite deve coincidir com o valor assumido pela função: \[ \lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0). \]

Se mesmo uma só destas condições não for satisfeita, \(f\) não é contínua em \(x_0\).

Exemplo. Consideremos a função

\[ f(x)=x^2. \]

No ponto \(x_0=2\) tem-se

\[ f(2)=4. \]

Além disso,

\[ \lim_{x\to2}x^2=4. \]

Logo

\[ \lim_{x\to2}f(x)=f(2), \]

e portanto \(f(x)=x^2\) é contínua em \(x_0=2\).

Interpretação geométrica. A continuidade em \(x_0\) exprime que o ponto \((x_0,f(x_0))\) é coerente com o comportamento dos valores \(f(x)\) quando \(x\) se aproxima de \(x_0\). Em particular, o valor assumido pela função no ponto coincide com o valor para o qual tendem os valores da função na sua vizinhança.

As diferentes formas em que esta propriedade pode falhar serão classificadas na parte dedicada aos pontos de descontinuidade.

Continuidade à direita e à esquerda

Em alguns casos é necessário estudar separadamente o comportamento da função quando \(x\) se aproxima de um ponto apenas pela direita ou apenas pela esquerda. Introduzem-se assim os conceitos de continuidade à direita e continuidade à esquerda.

Seja

\[ f:A\to\mathbb{R} \]

e seja \(x_0\in A\).

Se \(x_0\) é um ponto de acumulação de \(A\) pela direita, \(f\) diz-se contínua à direita em \(x_0\) se

\[ \lim_{x\to x_0^+}f(x)=f(x_0). \]

Analogamente, se \(x_0\) é um ponto de acumulação de \(A\) pela esquerda, \(f\) diz-se contínua à esquerda em \(x_0\) se

\[ \lim_{x\to x_0^-}f(x)=f(x_0). \]

Quando \(x_0\) é ponto de acumulação do domínio tanto pela esquerda como pela direita, \(f\) é contínua em \(x_0\) se e somente se for contínua tanto pela esquerda como pela direita nesse mesmo ponto.

Equivalentemente,

\[ \lim_{x\to x_0^-}f(x) = \lim_{x\to x_0^+}f(x) = f(x_0). \]

Exemplo com uma função definida por partes

Consideremos

\[ f(x)= \begin{cases} x+1, & x<1,\\ 2, & x=1,\\ 3-x, & x>1. \end{cases} \]

No ponto \(x_0=1\),

\[ f(1)=2. \]

Pela esquerda tem-se

\[ \lim_{x\to1^-}f(x) = \lim_{x\to1^-}(x+1) = 2, \]

enquanto pela direita

\[ \lim_{x\to1^+}f(x) = \lim_{x\to1^+}(3-x) = 2. \]

Portanto

\[ \lim_{x\to1^-}f(x) = \lim_{x\to1^+}f(x) = f(1) = 2, \]

e portanto \(f\) é contínua em \(x_0=1\).

Continuidade nos extremos de um intervalo

A continuidade lateral é fundamental também nos extremos dos intervalos.

Se uma função está definida em \([a,b]\), no ponto \(a\) considera-se a continuidade à direita:

\[ \lim_{x\to a^+}f(x)=f(a), \]

enquanto no ponto \(b\) considera-se a continuidade à esquerda:

\[ \lim_{x\to b^-}f(x)=f(b). \]

Continuidade num intervalo

Depois de termos definido a continuidade num único ponto, podemos estender naturalmente o conceito a todo um intervalo.

Intervalo aberto

Uma função \(f\) diz-se contínua num intervalo aberto \(I\) se for contínua em cada ponto \(x_0\in I\).

Por exemplo, \(f\) é contínua em \((a,b)\) se, para todo \(x_0\in(a,b)\),

\[ \lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0). \]

Intervalo fechado

No caso de um intervalo fechado \([a,b]\), nos extremos a aproximação deve ser considerada permanecendo dentro do intervalo. Por esta razão intervêm os limites laterais.

Uma função

\[ f:[a,b]\to\mathbb{R} \]

diz-se contínua em \([a,b]\) se:

  • for contínua em cada ponto \(x_0\in(a,b)\);
  • for contínua à direita em \(a\), isto é, \[ \lim_{x\to a^+}f(x)=f(a); \]
  • for contínua à esquerda em \(b\), isto é, \[ \lim_{x\to b^-}f(x)=f(b). \]

Intervalos semiabertos

De modo análogo, se o domínio é um intervalo semiaberto, no extremo pertencente ao domínio exige-se a correspondente continuidade lateral.

Uma função

\[ f:[a,b)\to\mathbb{R} \]

é contínua em \([a,b)\) se for contínua em cada ponto de \((a,b)\) e for contínua à direita em \(a\).

Analogamente,

\[ f:(a,b]\to\mathbb{R} \]

é contínua em \((a,b]\) se for contínua em cada ponto de \((a,b)\) e for contínua à esquerda em \(b\).

Continuidade no domínio

Mais geralmente, uma função

\[ f:A\to\mathbb{R} \]

diz-se contínua em \(A\) se for contínua em cada ponto do seu domínio, considerando a continuidade relativamente aos pontos pertencentes a \(A\).

Por exemplo,

\[ f(x)=x^2 \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\), pois para todo \(x_0\in\mathbb{R}\)

\[ \lim_{x\to x_0}x^2=x_0^2=f(x_0). \]

A função

\[ f(x)=\frac{1}{x} \]

é, pelo contrário, contínua no seu próprio domínio

\[ \mathbb{R}\setminus\{0\}. \]

Não estar definida em \(x=0\) não impede, portanto, que se afirme que é contínua no seu próprio domínio. A continuidade é uma propriedade que se verifica nos pontos em que a função está definida.

A continuidade num intervalo desempenhará um papel fundamental nos resultados seguintes: a existência de zeros, a obtenção dos valores intermédios e a existência de máximos e mínimos absolutos dependem, com efeito, da continuidade em intervalos adequados.

Operações com funções contínuas

A continuidade conserva-se através das principais operações algébricas. Isto permite construir novas funções contínuas a partir de funções cuja continuidade já é conhecida.

Sejam \(f\) e \(g\) contínuas num ponto \(x_0\). Então também são contínuas em \(x_0\)

\[ f+g, \qquad f-g, \qquad f\cdot g. \]

Para toda constante \(c\in\mathbb{R}\), é também contínua em \(x_0\) a função

\[ cf. \]

Se

\[ g(x_0)\neq0, \]

é também contínua em \(x_0\) a função quociente

\[ \frac{f}{g}. \]

Porque estas propriedades são válidas

Uma vez que \(f\) e \(g\) são contínuas em \(x_0\),

\[ \lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0), \qquad \lim_{x\to x_0}g(x)=g(x_0). \]

Para a soma, das propriedades dos limites resulta

\[ \begin{aligned} \lim_{x\to x_0}[f(x)+g(x)] &= \lim_{x\to x_0}f(x) + \lim_{x\to x_0}g(x)\\ &= f(x_0)+g(x_0)\\ &= (f+g)(x_0). \end{aligned} \]

Logo \(f+g\) é contínua em \(x_0\). De modo análogo demonstram-se os resultados relativos à diferença, ao produto e ao produto por uma constante.

Para o quociente, se \(g(x_0)\neq0\),

\[ \lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{f(x_0)}{g(x_0)} = \left(\frac{f}{g}\right)(x_0), \]

e portanto \(\displaystyle\frac{f}{g}\) é contínua em \(x_0\).

As mesmas propriedades são válidas num intervalo. Se \(f\) e \(g\) são contínuas num intervalo \(I\), então \(f+g\), \(f-g\), \(f\cdot g\) e \(cf\) são contínuas em \(I\). O quociente \(\displaystyle\frac{f}{g}\) é contínuo em cada ponto de \(I\) no qual \(g\) não se anula.

Composição de funções contínuas

Outra propriedade fundamental diz respeito à composição.

Seja \(g\) contínua em \(x_0\) e seja \(f\) contínua em \(g(x_0)\). Então a função composta

\[ (f\circ g)(x)=f(g(x)) \]

é contínua em \(x_0\).

Com efeito,

\[ \lim_{x\to x_0}g(x)=g(x_0). \]

Uma vez que \(f\) é contínua em \(g(x_0)\),

\[ \lim_{x\to x_0}f(g(x)) = f\left(\lim_{x\to x_0}g(x)\right) = f(g(x_0)). \]

Portanto

\[ \lim_{x\to x_0}(f\circ g)(x) = (f\circ g)(x_0), \]

e portanto \(f\circ g\) é contínua em \(x_0\).

Exemplo

Consideremos

\[ g(x)=x^2+1 \]

e

\[ f(t)=\sqrt{t}. \]

Ambas as funções são contínuas nos respectivos domínios. Além disso, \(x^2+1>0\) para todo \(x\in\mathbb{R}\), logo a composição

\[ (f\circ g)(x)=\sqrt{x^2+1} \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Estes resultados permitem reconhecer a continuidade de um grande número de funções sem ter de aplicar sempre diretamente a definição com \(\varepsilon\) e \(\delta\).

Continuidade das funções elementares

As principais funções elementares são contínuas em cada ponto do seu domínio. Juntamente com as propriedades das operações e da composição, este resultado permite estabelecer rapidamente a continuidade de uma ampla classe de funções.

Funções polinomiais e racionais

Toda função polinomial

\[ P(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0 \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Uma função racional

\[ f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)} \]

é contínua em todos os pontos em que o denominador não se anula, isto é, no seu domínio

\[ \{x\in\mathbb{R}:Q(x)\neq0\}. \]

Potências e radicais

As funções potência e as funções radicais usuais, consideradas nos seus domínios reais, são contínuas.

Por exemplo,

\[ f(x)=\sqrt{x} \]

é contínua em

\[ [0,+\infty), \]

enquanto

\[ f(x)=\sqrt[3]{x} \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Funções exponenciais e logarítmicas

A função exponencial

\[ f(x)=a^x, \qquad a>0, \quad a\neq1, \]

é contínua para todo \(x\in\mathbb{R}\).

A função logarítmica

\[ f(x)=\log_a(x), \qquad a>0, \quad a\neq1, \]

é contínua no seu domínio

\[ (0,+\infty). \]

Em particular, o logaritmo natural (ou logaritmo neperiano)

\[ f(x)=\ln(x) \]

é contínuo para todo \(x>0\).

Funções trigonométricas

As funções

\[ \sin(x), \qquad \cos(x) \]

são contínuas em todo o \(\mathbb{R}\).

A função tangente

\[ \tan(x)=\frac{\sin(x)}{\cos(x)} \]

é contínua nos pontos em que \(\cos(x)\neq0\), isto é, para

\[ x\neq\frac{\pi}{2}+k\pi, \qquad k\in\mathbb{Z}. \]

Analogamente, as demais funções trigonométricas definidas por meio de quocientes são contínuas em cada ponto do seu domínio.

Valor absoluto

Também a função

\[ f(x)=|x| \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Um exemplo mais elaborado

Consideremos

\[ f(x)=\frac{\sqrt{x^2+1}}{x^2+4}. \]

A função polinomial \(x^2+1\) é contínua e satisfaz

\[ x^2+1>0 \]

para todo \(x\in\mathbb{R}\). Consequentemente,

\[ \sqrt{x^2+1} \]

é contínua em \(\mathbb{R}\).

Além disso,

\[ x^2+4>0 \]

para todo \(x\in\mathbb{R}\), pelo que o denominador nunca se anula.

Portanto

\[ f(x)=\frac{\sqrt{x^2+1}}{x^2+4} \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Em geral, no estudo da continuidade de uma função elementar costuma bastar determinar corretamente o seu domínio e reconhecer as operações e composições através das quais a função é construída.

Pontos de descontinuidade

Quando uma função não é contínua num ponto do seu domínio, fala-se em descontinuidade. No estudo dos limites, a mesma terminologia é comumente utilizada também para pontos de acumulação do domínio nos quais a função não está definida, como acontece, por exemplo, nas descontinuidades removíveis.

Suponhamos que \(x_0\) é um ponto de acumulação do domínio tanto pela esquerda como pela direita. Para descrever o comportamento da função em \(x_0\) consideram-se os dois limites laterais

\[ \lim_{x\to x_0^-}f(x) \qquad\text{e}\qquad \lim_{x\to x_0^+}f(x). \]

O seu comportamento permite distinguir diferentes tipos de descontinuidade.

Descontinuidade removível

Tem-se uma descontinuidade removível em \(x_0\) quando existe e é finito o limite

\[ \lim_{x\to x_0}f(x)=L, \]

mas a função não está definida em \(x_0\), ou está definida e

\[ f(x_0)\neq L. \]

A descontinuidade pode ser eliminada definindo, ou redefinindo,

\[ f(x_0)=L. \]

Exemplo. Consideremos

\[ f(x)=\frac{x^2-1}{x-1}, \qquad x\neq1. \]

Para \(x\neq1\),

\[ f(x) = \frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = x+1. \]

Portanto

\[ \lim_{x\to1}f(x)=2. \]

A função não está definida em \(x=1\), mas, ao pôr-se

\[ f(1)=2 \]

obtém-se uma função contínua também nesse ponto.

Descontinuidade de primeira espécie ou de salto

Tem-se uma descontinuidade de primeira espécie, também chamada descontinuidade de salto, quando ambos os limites laterais existem e são finitos mas assumem valores diferentes:

\[ \lim_{x\to x_0^-}f(x)=L_1, \qquad \lim_{x\to x_0^+}f(x)=L_2, \qquad L_1\neq L_2. \]

Neste caso o limite quando \(x\to x_0\) não existe. A quantidade

\[ |L_2-L_1| \]

chama-se amplitude do salto.

Exemplo. Consideremos

\[ f(x)= \begin{cases} 0, & x<0,\\ 1, & x\geq0. \end{cases} \]

Tem-se

\[ \lim_{x\to0^-}f(x)=0, \qquad \lim_{x\to0^+}f(x)=1. \]

Os dois limites laterais são finitos mas diferentes. Portanto \(x=0\) é um ponto de descontinuidade de primeira espécie.

Descontinuidade de segunda espécie

Tem-se uma descontinuidade de segunda espécie quando pelo menos um dos dois limites laterais não existe como limite finito.

Isto pode acontecer porque pelo menos um dos limites é infinito, ou porque pelo menos um deles não existe sequer como limite infinito.

Primeiro exemplo. Consideremos

\[ f(x)=\frac{1}{x}. \]

Quando \(x\to0\),

\[ \lim_{x\to0^-}\frac{1}{x}=-\infty, \qquad \lim_{x\to0^+}\frac{1}{x}=+\infty. \]

Uma vez que os dois limites laterais são infinitos, \(x=0\) é um ponto de descontinuidade de segunda espécie. Além disso,

\[ x=0 \]

é uma assíntota vertical do gráfico.

Segundo exemplo. Consideremos

\[ f(x)=\sin\left(\frac{1}{x}\right), \qquad x\neq0. \]

Quando \(x\to0\), o argumento \(\displaystyle\frac{1}{x}\) cresce em valor absoluto sem limite e a função continua a oscilar entre \(-1\) e \(1\).

Em consequência, nem o limite à esquerda nem o limite à direita existem, nem sequer como limites infinitos. Também \(x=0\) é, portanto, um ponto de descontinuidade de segunda espécie.

Os diferentes tipos de descontinuidade mostram que a continuidade pode falhar de formas profundamente diferentes. O estudo dos limites laterais permite descrever com precisão o comportamento local da função nos pontos problemáticos.

Teorema da conservação do sinal para funções contínuas

Uma consequência fundamental da continuidade é o teorema da conservação do sinal: se uma função contínua assume num ponto um valor estritamente positivo ou estritamente negativo, então conserva o mesmo sinal numa vizinhança adequada desse ponto.

Seja

\[ f:A\to\mathbb{R} \]

contínua em \(x_0\in A\).

Se

\[ f(x_0)>0, \]

então existe \(\delta>0\) tal que, para todo \(x\in A\),

\[ |x-x_0|<\delta \quad\Longrightarrow\quad f(x)>0. \]

Analogamente, se

\[ f(x_0)<0, \]

existe \(\delta>0\) tal que

\[ |x-x_0|<\delta \quad\Longrightarrow\quad f(x)<0. \]

Demonstração. Suponhamos

\[ f(x_0)>0. \]

Escolhamos

\[ \varepsilon=\frac{f(x_0)}{2}>0. \]

Uma vez que \(f\) é contínua em \(x_0\), existe \(\delta>0\) tal que

\[ |x-x_0|<\delta \quad\Longrightarrow\quad |f(x)-f(x_0)| < \frac{f(x_0)}{2}. \]

Da propriedade do valor absoluto resulta

\[ -\frac{f(x_0)}{2} < f(x)-f(x_0) < \frac{f(x_0)}{2}. \]

Considerando a desigualdade da esquerda,

\[ f(x) > f(x_0)-\frac{f(x_0)}{2} = \frac{f(x_0)}{2} > 0. \]

Portanto \(f\) mantém sinal positivo numa vizinhança adequada de \(x_0\). O caso \(f(x_0)<0\) demonstra-se de modo análogo.

Porque a hipótese \(f(x_0)\neq0\) é essencial

Se

\[ f(x_0)=0, \]

a continuidade, por si só, não permite determinar o sinal da função nas proximidades de \(x_0\).

Por exemplo,

\[ f(x)=x \]

é contínua em \(x_0=0\), mas assume valores negativos à esquerda de \(0\) e positivos à direita.

O teorema da conservação do sinal será fundamental no teorema de Bolzano, no qual a continuidade permitirá deduzir a existência de pelo menos um zero quando uma função assume valores de sinal oposto nos extremos de um intervalo.

Teorema de Bolzano e teorema do valor intermédio

A continuidade num intervalo produz uma consequência global fundamental: uma função contínua não pode passar de um valor a outro sem assumir também todos os valores intermédios.

Teorema de Bolzano

Seja

\[ f:[a,b]\to\mathbb{R} \]

contínua em \([a,b]\).

Se

\[ f(a)f(b)<0, \]

isto é, se \(f(a)\) e \(f(b)\) têm sinal oposto, então existe pelo menos um ponto

\[ c\in(a,b) \]

tal que

\[ f(c)=0. \]

O teorema garante, portanto, a existência de pelo menos um zero da função no interior do intervalo, mas não afirma que esse zero seja único.

Geometricamente, se o gráfico de uma função contínua se encontra de um lado do eixo \(x\) num extremo do intervalo e do outro lado no outro extremo, tem de cortar necessariamente o eixo \(x\) pelo menos uma vez.

Exemplo. Consideremos

\[ f(x)=x^3+x-1 \]

no intervalo \([0,1]\).

Sendo uma função polinomial, \(f\) é contínua em todo o \(\mathbb{R}\), logo também em \([0,1]\). Além disso,

\[ f(0)=-1, \qquad f(1)=1. \]

Portanto

\[ f(0)f(1)=-1<0. \]

Pelo teorema de Bolzano existe pelo menos um ponto

\[ c\in(0,1) \]

tal que

\[ f(c)=0. \]

O teorema permite, assim, demonstrar a existência de uma solução sem necessidade de determinar o seu valor exato.

Teorema do valor intermédio

O teorema de Bolzano é um caso particular de um resultado mais geral: o teorema do valor intermédio.

Seja

\[ f:[a,b]\to\mathbb{R} \]

contínua em \([a,b]\).

Para todo número real \(k\) compreendido entre \(f(a)\) e \(f(b)\), existe pelo menos um ponto \(c\in[a,b]\) tal que

\[ f(c)=k. \]

Em particular, se

\[ f(a)<k<f(b) \]

ou

\[ f(b)<k<f(a), \]

então existe pelo menos um ponto

\[ c\in(a,b) \]

tal que

\[ f(c)=k. \]

Isto significa que a imagem de um intervalo por meio de uma função contínua não apresenta lacunas: entre dois valores assumidos pela função são também assumidos todos os valores intermédios.

Por exemplo, se

\[ f(a)=2, \qquad f(b)=7, \]

então, para todo \(k\) tal que

\[ 2<k<7, \]

existe pelo menos um \(c\in(a,b)\) com

\[ f(c)=k. \]

O teorema não garante a unicidade: um mesmo valor intermédio pode ser assumido em mais de um ponto do intervalo.

Bolzano como caso particular

Se \(f(a)\) e \(f(b)\) têm sinal oposto, então \(0\) está compreendido entre \(f(a)\) e \(f(b)\).

Aplicando o teorema do valor intermédio com

\[ k=0, \]

obtém-se imediatamente um ponto \(c\in(a,b)\) tal que

\[ f(c)=0. \]

O teorema de Bolzano pode, assim, ser interpretado como a aplicação do teorema do valor intermédio ao valor particular \(k=0\).

A hipótese de continuidade é essencial. Uma função descontínua pode assumir valores de sinal oposto nos extremos de um intervalo sem assumir o valor \(0\) no seu interior. É precisamente a continuidade que impede que a imagem da função apresente uma lacuna entre os valores considerados.

Teorema de Weierstrass

Outra consequência fundamental da continuidade diz respeito à existência de máximos e mínimos absolutos.

Seja

\[ f:[a,b]\to\mathbb{R} \]

uma função contínua no intervalo fechado e limitado \([a,b]\).

O teorema de Weierstrass afirma que \(f\) assume em \([a,b]\) tanto um valor mínimo como um valor máximo.

Por outras palavras, existem pontos

\[ x_m,x_M\in[a,b] \]

tais que

\[ f(x_m)\leq f(x)\leq f(x_M) \]

para todo \(x\in[a,b]\).

O valor

\[ f(x_m) \]

é o mínimo absoluto de \(f\) em \([a,b]\), enquanto

\[ f(x_M) \]

é o máximo absoluto.

É importante distinguir os pontos nos quais os extremos são atingidos dos próprios valores extremos: \(x_m\) e \(x_M\) pertencem ao domínio, enquanto \(f(x_m)\) e \(f(x_M)\) são, respectivamente, o mínimo e o máximo da função.

Limitação e obtenção dos extremos

O teorema garante, em particular, que uma função contínua num intervalo fechado e limitado é limitada.

Pondo

\[ m=\inf f([a,b]), \qquad M=\sup f([a,b]), \]

tem-se

\[ m\leq f(x)\leq M \]

para todo \(x\in[a,b]\).

Weierstrass afirma, além disso, algo mais forte: estes dois extremos são efetivamente atingidos. Com efeito, existem \(x_m,x_M\in[a,b]\) tais que

\[ m=f(x_m), \qquad M=f(x_M). \]

Exemplo. Consideremos

\[ f(x)=x^2-2x+3 \]

no intervalo \([0,3]\).

Sendo uma função polinomial, \(f\) é contínua em todo o \(\mathbb{R}\), e portanto também em \([0,3]\). O teorema de Weierstrass assegura, assim, a existência tanto de um mínimo absoluto como de um máximo absoluto.

Escrevamos

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

Uma vez que

\[ (x-1)^2\geq0, \]

o valor mínimo é atingido em \(x=1\):

\[ f(1)=2. \]

Além disso, para \(x\in[0,3]\),

\[ |x-1|\leq2, \]

logo

\[ (x-1)^2\leq4. \]

Portanto

\[ f(x)=(x-1)^2+2\leq6, \]

com igualdade em \(x=3\). O máximo absoluto é, portanto,

\[ f(3)=6. \]

Porque as hipóteses são importantes

As hipóteses do teorema são essenciais. A continuidade, por si só, não é suficiente para garantir a existência de um máximo e de um mínimo absolutos se o intervalo não for fechado e limitado.

Por exemplo,

\[ f(x)=x \]

é contínua no intervalo aberto \((0,1)\), mas não atinge nem o seu ínfimo \(0\) nem o seu supremo \(1\). Em consequência, não possui em \((0,1)\) nem mínimo absoluto nem máximo absoluto.

Analogamente,

\[ f(x)=x \]

é contínua em todo o \(\mathbb{R}\), mas não é limitada e, portanto, não possui nem máximo nem mínimo absolutos.

Interpretação por meio da compacidade

Em \(\mathbb{R}\), todo conjunto fechado e limitado é compacto. O intervalo \([a,b]\) é, portanto, compacto.

Uma vez que a imagem contínua de um conjunto compacto é ainda compacta,

\[ f([a,b]) \]

é um subconjunto compacto de \(\mathbb{R}\).

Em consequência, \(f([a,b])\) é fechado e limitado. Sendo limitado, possui ínfimo e supremo; sendo fechado, contém ambos esses valores. Estes são, portanto, efetivamente atingidos pela função e constituem, respectivamente, o mínimo e o máximo absolutos.

O teorema de Weierstrass é um dos resultados centrais da Análise Matemática e desempenhará um papel fundamental no estudo dos problemas de máximo e mínimo.

Continuidade da função inversa

A continuidade conserva-se, sob hipóteses adequadas, também ao passar para a função inversa.

Seja \(I\subseteq\mathbb{R}\) um intervalo e seja

\[ f:I\to\mathbb{R} \]

uma função contínua e estritamente monótona em \(I\).

Uma vez que \(f\) é estritamente monótona, é injetiva e admite, portanto, uma função inversa definida sobre a imagem

\[ J=f(I). \]

O teorema da continuidade da função inversa afirma que

\[ f^{-1}:J\to I \]

é contínua em \(J\).

Além disso, \(J=f(I)\) é, por sua vez, um intervalo. Isto resulta do teorema do valor intermédio: sendo \(f\) contínua num intervalo, entre dois valores quaisquer assumidos por \(f\) são também assumidos todos os valores intermédios.

A função inversa conserva, além disso, o tipo de monotonia:

  • se \(f\) é estritamente crescente, \(f^{-1}\) é também estritamente crescente;
  • se \(f\) é estritamente decrescente, \(f^{-1}\) é também estritamente decrescente.

Geometricamente, o gráfico da função inversa obtém-se refletindo o gráfico de \(f\) em relação à reta

\[ y=x. \]

Exemplo: função cúbica

Consideremos

\[ f(x)=x^3, \qquad x\in\mathbb{R}. \]

A função é contínua e estritamente crescente em \(\mathbb{R}\). Além disso,

\[ f(\mathbb{R})=\mathbb{R}. \]

A sua função inversa é

\[ f^{-1}(x)=\sqrt[3]{x}. \]

Pelo teorema anterior, \(f^{-1}\) é contínua em todo o \(\mathbb{R}\).

Exemplo: função exponencial

Consideremos

\[ f(x)=a^x, \qquad a>0, \quad a\neq1. \]

A função exponencial é contínua e estritamente monótona em \(\mathbb{R}\), com imagem

\[ (0,+\infty). \]

A sua função inversa é o logaritmo

\[ f^{-1}(x)=\log_a(x), \]

que é, portanto, contínuo em

\[ (0,+\infty). \]

A continuidade da função inversa completa o quadro das principais propriedades das funções contínuas: continuidade local e em intervalos, conservação por meio das operações e da composição, classificação das descontinuidades e principais consequências globais.

Conclusão

A continuidade descreve uma das propriedades fundamentais das funções reais e estabelece uma relação precisa entre o valor assumido por uma função num ponto e o comportamento dos seus valores na vizinhança desse ponto.

Vimos que a continuidade pode ser estudada por meio de limites, que se conserva através das principais operações algébricas e da composição, e que as funções elementares são contínuas nos seus domínios. Classificamos, além disso, as diferentes formas em que uma função pode deixar de ser contínua, através do estudo dos limites à direita e à esquerda.

Num intervalo, a continuidade produz consequências ainda mais profundas. O teorema de Bolzano garante a existência de pelo menos um zero quando a função assume valores de sinal oposto nos extremos; o teorema do valor intermédio assegura que uma função contínua assume todos os valores compreendidos entre dois valores da sua imagem; o teorema de Weierstrass, por sua vez, garante a existência de um máximo e um mínimo absolutos num intervalo fechado e limitado.

Estes resultados constituem uma base essencial para o desenvolvimento posterior da Análise Matemática e preparam naturalmente o estudo da derivabilidade, o estudo qualitativo das funções e os problemas de máximo e mínimo.


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