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Teorema de Heine-Borel: 20 Exercícios Resolvidos Passo a Passo

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By Pimath, 7 Junho, 2026

Os exercícios seguintes servem para consolidar o conceito de conjuntos compactos em \(\mathbb R\). Utilizaremos sobretudo o teorema de Heine–Borel, segundo o qual um subconjunto de \(\mathbb R\) é compacto se e só se for fechado e limitado.


Exercício 1 — nível ★☆☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=[2,5] \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A=[2,5]\) é compacto.

Resolução

Em \(\mathbb R\), pelo teorema de Heine–Borel, um conjunto é compacto se e só se for fechado e limitado.

O intervalo \([2,5]\) é fechado, porque contém ambos os seus extremos \(2\) e \(5\).

Além disso, é limitado, porque todos os seus elementos satisfazem

\[ 2\le x\le 5. \]

Logo, \(A\) é fechado e limitado. Portanto, pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) é compacto.


Exercício 2 — nível ★☆☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=(2,5) \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A=(2,5)\) não é compacto.

Resolução

O intervalo \((2,5)\) é limitado, porque todos os seus elementos estão compreendidos entre \(2\) e \(5\).

No entanto, não é fechado, visto que não contém os seus pontos de acumulação \(2\) e \(5\). De facto, existem sucessões de pontos de \(A\) que convergem para \(2\) ou para \(5\), por exemplo

\[ x_n=2+\frac1n. \]

Para todo o \(n\) suficientemente grande, tem-se \(x_n\in(2,5)\), mas

\[ x_n\to 2, \]

e \(2\notin A\).

Portanto, \(A\) não é fechado. Como em \(\mathbb R\) um conjunto compacto tem de ser fechado e limitado, \(A\) não é compacto.


Exercício 3 — nível ★☆☆☆☆

Determinar se o conjunto

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

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A=[0,+\infty)\) não é compacto.

Resolução

O conjunto \(A=[0,+\infty)\) é fechado em \(\mathbb R\), porque contém o seu ponto de fronteira \(0\) e o seu complementar

\[ \mathbb R\setminus A=(-\infty,0) \]

é aberto.

No entanto, \(A\) não é limitado superiormente. De facto, para todo o \(M>0\), o número

\[ M+1 \]

pertence a \(A\) e é maior do que \(M\).

Logo, \(A\) não é limitado. Pelo teorema de Heine–Borel, por não ser limitado, não pode ser compacto.


Exercício 4 — nível ★☆☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\{1,2,3,4\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A=\{1,2,3,4\}\) é compacto.

Resolução

Todo o conjunto finito de números reais é fechado e limitado.

O conjunto \(A\) é limitado, porque todos os seus elementos estão compreendidos entre \(1\) e \(4\):

\[ 1\le x\le 4 \quad \text{para todo o } x\in A. \]

Além disso, \(A\) é fechado, porque é um conjunto finito e todos os seus pontos são isolados.

Logo, \(A\) é fechado e limitado. Pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) é compacto.


Exercício 5 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

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

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) não é compacto.

Resolução

O conjunto \(A\) é limitado, porque

\[ 0<\frac1n\le 1 \]

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

\[ A\subseteq (0,1]. \]

No entanto, \(A\) não é fechado. De facto, a sucessão

\[ x_n=\frac1n \]

é formada por pontos de \(A\), mas converge para \(0\):

\[ \frac1n\to 0. \]

O ponto \(0\) é, portanto, um ponto de acumulação de \(A\), mas

\[ 0\notin A. \]

Por conseguinte, \(A\) não é fechado. Sendo limitado mas não fechado, não é compacto.


Exercício 6 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\left\{0\right\}\cup\left\{\frac1n:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) é compacto.

Resolução

O conjunto \(A\) é limitado, porque

\[ 0\le x\le 1 \]

para todo o \(x\in A\). Portanto, \(A\subseteq[0,1]\).

Verifiquemos agora que \(A\) é fechado. Os pontos da forma \(\displaystyle \frac1n\) são isolados, ao passo que o único ponto de acumulação do conjunto é \(0\).

De facto,

\[ \frac1n\to 0. \]

Ao contrário do exercício anterior, desta vez \(0\) pertence ao conjunto \(A\).

Logo, \(A\) contém todos os seus pontos de acumulação e é fechado.

Como \(A\) é fechado e limitado, pelo teorema de Heine–Borel é compacto.


Exercício 7 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=[-1,1]\setminus\{0\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) não é compacto.

Resolução

O conjunto \(A\) é limitado, porque está contido em \([-1,1]\).

No entanto, \(A\) não é fechado. De facto, \(0\) é um ponto de acumulação de \(A\): toda a vizinhança de \(0\) contém pontos de \(A\) diferentes de \(0\), por exemplo números da forma

\[ \pm\frac1n \]

para \(n\) suficientemente grande.

Além disso,

\[ \frac1n\in A \quad \text{e} \quad \frac1n\to 0. \]

Mas \(0\notin A\), porque foi removido do intervalo \([-1,1]\).

Portanto, \(A\) não contém todos os seus pontos de acumulação e, por conseguinte, não é fechado.

Sendo limitado mas não fechado, \(A\) não é compacto.


Exercício 8 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\left[-2,3\right]\cup\{7\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) é compacto.

Resolução

O intervalo \([-2,3]\) é fechado e limitado, pelo que é compacto.

Também o conjunto unitário \(\{7\}\) é fechado e limitado, pelo que é compacto.

A reunião finita de conjuntos fechados é fechada. Portanto,

\[ A=[-2,3]\cup\{7\} \]

é fechado.

Além disso, \(A\) é limitado, porque todos os seus elementos estão compreendidos entre \(-2\) e \(7\):

\[ -2\le x\le 7 \quad \text{para todo o } x\in A. \]

Logo, \(A\) é fechado e limitado. Pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) é compacto.


Exercício 9 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\bigcup_{n=1}^{+\infty}\left[\frac1n,1\right] \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) não é compacto.

Resolução

Observemos, antes de mais, que

\[ \left[\frac1n,1\right]\subseteq(0,1] \]

para todo o \(n\ge 1\). Além disso, dado um qualquer \(x\in(0,1]\), podemos escolher \(n\) suficientemente grande de modo que

\[ \frac1n\le x. \]

Então

\[ x\in\left[\frac1n,1\right]. \]

Portanto,

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

O conjunto \((0,1]\) é limitado, mas não é fechado, porque \(0\) é um ponto de acumulação e não pertence ao conjunto.

De facto,

\[ \frac1n\in A \quad \text{e} \quad \frac1n\to 0, \]

mas \(0\notin A\).

Por conseguinte, \(A\) não é fechado e, portanto, não é compacto.


Exercício 10 — nível ★★☆☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[-1,\frac1n\right] \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A=[-1,0]\) é compacto.

Resolução

Devemos primeiro determinar o conjunto \(A\).

Um número \(x\) pertence a \(A\) se e só se pertencer a todos os intervalos

\[ \left[-1,\frac1n\right]. \]

Isto significa que

\[ -1\le x\le \frac1n \]

para todo o \(n\ge 1\).

Se \(x\le 0\) e \(x\ge -1\), então certamente

\[ x\le \frac1n \]

para todo o \(n\ge 1\). Portanto, \([-1,0]\subseteq A\).

Reciprocamente, se \(x>0\), escolhendo \(n\) suficientemente grande tem-se

\[ \frac1n<x. \]

Então \(x\notin\left[-1,\displaystyle\frac1n\right]\), pelo que \(x\notin A\).

Portanto,

\[ A=[-1,0]. \]

O intervalo \([-1,0]\) é fechado e limitado. Logo, pelo teorema de Heine–Borel, é compacto.


Exercício 11 — nível ★★★☆☆

Demonstrar que o conjunto

\[ A=\left\{\frac{n}{n+1}:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\}\cup\{1\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) é compacto.

Resolução

Escrevamos o termo geral na forma

\[ \frac{n}{n+1}=1-\frac1{n+1}. \]

Desta expressão decorre que

\[ 0<\frac{n}{n+1}<1 \]

para todo o \(n\ge 1\), e ainda

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

O conjunto \(A\) é limitado, porque todos os seus elementos pertencem ao intervalo \([0,1]\).

Além disso, o único ponto de acumulação da sucessão

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

é \(1\), e esse ponto pertence a \(A\).

Os pontos

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

são isolados, ao passo que \(1\) está incluído no conjunto.

Portanto, \(A\) contém todos os seus pontos de acumulação e é fechado.

Sendo fechado e limitado, \(A\) é compacto pelo teorema de Heine–Borel.


Exercício 12 — nível ★★★☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: x^2<4\right\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) não é compacto.

Resolução

Resolvamos primeiro a inequação

\[ x^2<4. \]

Esta equivale a

\[ -2<x<2. \]

Portanto,

\[ A=(-2,2). \]

O conjunto \(A\) é limitado, porque está contido em \([-2,2]\).

No entanto, não é fechado, porque não contém os pontos \(-2\) e \(2\), que são pontos de acumulação do conjunto.

Por exemplo, a sucessão

\[ x_n=2-\frac1n \]

pertence a \(A\) para todo o \(n\ge 1\) suficientemente grande e converge para \(2\), mas \(2\notin A\).

Portanto, \(A\) não é fechado. Pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) não é compacto.


Exercício 13 — nível ★★★☆☆

Determinar se o conjunto

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: x^2\le 4\right\} \]

é compacto em \(\mathbb R\).

Resultado

O conjunto \(A\) é compacto.

Resolução

Resolvamos a inequação

\[ x^2\le 4. \]

Esta equivale a

\[ -2\le x\le 2. \]

Logo,

\[ A=[-2,2]. \]

O intervalo \([-2,2]\) é fechado, porque contém os seus extremos, e é limitado, porque cada um dos seus elementos \(x\) satisfaz

\[ -2\le x\le 2. \]

Pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) é compacto.


Exercício 14 — nível ★★★☆☆

Seja

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: |x-3|\le 2\right\}. \]

Determinar se \(A\) é compacto.

Resultado

O conjunto \(A=[1,5]\) é compacto.

Resolução

A inequação

\[ |x-3|\le 2 \]

significa que a distância de \(x\) a \(3\) é, no máximo, \(2\). De modo equivalente,

\[ -2\le x-3\le 2. \]

Somando \(3\) aos três membros, obtemos

\[ 1\le x\le 5. \]

Portanto,

\[ A=[1,5]. \]

O intervalo \([1,5]\) é fechado e limitado. Pelo teorema de Heine–Borel, \(A\) é compacto.


Exercício 15 — nível ★★★☆☆

Demonstrar que a intersecção de dois conjuntos compactos \(K_1,K_2\subseteq\mathbb R\) é compacta.

Resultado

O conjunto \(K_1\cap K_2\) é compacto.

Resolução

Como \(K_1\) e \(K_2\) são compactos em \(\mathbb R\), pelo teorema de Heine–Borel são fechados e limitados.

A intersecção de dois conjuntos fechados é fechada. Logo,

\[ K_1\cap K_2 \]

é fechado.

Além disso, \(K_1\cap K_2\subseteq K_1\). Como \(K_1\) é limitado, todo o subconjunto seu é limitado. Portanto, \(K_1\cap K_2\) é limitado.

Demonstrámos que \(K_1\cap K_2\) é fechado e limitado.

Portanto, pelo teorema de Heine–Borel, \(K_1\cap K_2\) é compacto.


Exercício 16 — nível ★★★☆☆

Demonstrar que a reunião de dois conjuntos compactos \(K_1,K_2\subseteq\mathbb R\) é compacta.

Resultado

O conjunto \(K_1\cup K_2\) é compacto.

Resolução

Como \(K_1\) e \(K_2\) são compactos em \(\mathbb R\), são fechados e limitados.

A reunião finita de conjuntos fechados é fechada. Portanto,

\[ K_1\cup K_2 \]

é fechado.

Como \(K_1\) é limitado, existe \(M_1>0\) tal que

\[ |x|\le M_1 \quad \text{para todo o } x\in K_1. \]

Como \(K_2\) é limitado, existe \(M_2>0\) tal que

\[ |x|\le M_2 \quad \text{para todo o } x\in K_2. \]

Ponhamos

\[ M=\max\{M_1,M_2\}. \]

Então, para todo o \(x\in K_1\cup K_2\), tem-se

\[ |x|\le M. \]

Portanto, \(K_1\cup K_2\) é limitado.

Sendo fechado e limitado, \(K_1\cup K_2\) é compacto.


Exercício 17 — nível ★★★★☆

Demonstrar que o conjunto

\[ K=\left\{x\in[0,2]: x\neq 1\right\} \]

não é compacto.

Resultado

O conjunto \(K=[0,2]\setminus\{1\}\) não é compacto.

Resolução

O conjunto \(K\) é limitado, porque está contido em \([0,2]\).

No entanto, não é fechado. De facto, \(1\) é um ponto de acumulação de \(K\), mas não pertence a \(K\).

Para o ver de forma explícita, consideremos a sucessão

\[ x_n=1+\frac1n. \]

Para todo o \(n\ge 1\) tem-se \(x_n\neq 1\), e para \(n\) suficientemente grande tem-se \(x_n\in[0,2]\). Portanto, \(x_n\in K\).

Além disso,

\[ x_n\to 1. \]

Mas \(1\notin K\). Logo, \(K\) não é fechado.

Como em \(\mathbb R\) todo o compacto tem de ser fechado e limitado, \(K\) não é compacto.


Exercício 18 — nível ★★★★☆

Demonstrar, usando coberturas abertas, que o conjunto

\[ A=(0,1) \]

não é compacto.

Resultado

O intervalo \((0,1)\) não é compacto.

Resolução

Consideremos a família de abertos

\[ \mathcal U=\left\{\left(\frac1n,1\right):n\in\mathbb N,\ n\ge 2\right\}. \]

Esta família cobre \((0,1)\). De facto, tomado \(x\in(0,1)\), podemos escolher \(n\) suficientemente grande de modo que

\[ \frac1n<x. \]

Então

\[ x\in\left(\frac1n,1\right). \]

Portanto,

\[ (0,1)\subseteq\bigcup_{n=2}^{+\infty}\left(\frac1n,1\right). \]

Suponhamos agora que escolhemos um número finito destes abertos:

\[ \left(\frac1{n_1},1\right),\ldots,\left(\frac1{n_k},1\right). \]

Seja

\[ N=\max\{n_1,\ldots,n_k\}. \]

De entre estes intervalos, aquele que começa mais à esquerda é

\[ \left(\frac1N,1\right). \]

A reunião finita escolhida é, pois, igual a

\[ \left(\frac1N,1\right). \]

Mas o ponto

\[ x=\frac1{N+1} \]

pertence a \((0,1)\) e satisfaz

\[ \frac1{N+1}<\frac1N. \]

Logo, \(x\) não pertence à reunião finita escolhida.

Encontrámos uma cobertura aberta de \((0,1)\) que não admite nenhuma subcobertura finita. Por definição, \((0,1)\) não é compacto.


Exercício 19 — nível ★★★★☆

Demonstrar, usando sucessões, que o conjunto

\[ A=(0,1] \]

não é compacto.

Resultado

O conjunto \((0,1]\) não é compacto.

Resolução

Em \(\mathbb R\), toda a sucessão contida num conjunto compacto admite uma subsucessão convergente para um ponto do conjunto.

Consideremos a sucessão

\[ x_n=\frac1n. \]

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

\[ x_n\in(0,1]. \]

Além disso,

\[ x_n\to 0. \]

Toda a subsucessão de \((x_n)\) converge ainda para \(0\). De facto, se \((x_{n_k})\) for uma subsucessão, então

\[ x_{n_k}=\frac1{n_k}\to 0. \]

Mas

\[ 0\notin(0,1]. \]

Portanto, a sucessão \((x_n)\), apesar de estar inteiramente contida em \((0,1]\), não possui nenhuma subsucessão convergente para um ponto de \((0,1]\).

Por conseguinte, \((0,1]\) não é compacto.


Exercício 20 — nível ★★★★★

Seja \(K\subseteq\mathbb R\) um conjunto compacto e seja \(f:K\to\mathbb R\) uma função contínua. Demonstrar que \(f(K)\) é compacto.

Resultado

A imagem contínua de um compacto é compacta.

Resolução

Queremos demonstrar que

\[ f(K)=\{f(x):x\in K\} \]

é compacto.

Usamos o critério sequencial de compacidade em \(\mathbb R\). Seja, pois, \((y_n)\) uma sucessão de pontos de \(f(K)\). Por definição de imagem, para todo o \(n\) existe \(x_n\in K\) tal que

\[ y_n=f(x_n). \]

Como \(K\) é compacto, da sucessão \((x_n)\) podemos extrair uma subsucessão \((x_{n_k})\) convergente para um ponto \(x_0\in K\):

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

Como \(f\) é contínua em \(x_0\), passando ao limite obtemos

\[ f(x_{n_k})\to f(x_0). \]

Mas

\[ f(x_{n_k})=y_{n_k}. \]

Portanto, a sucessão \((y_n)\) admite uma subsucessão \((y_{n_k})\) convergente para o ponto

\[ f(x_0)\in f(K). \]

Demonstrámos que toda a sucessão em \(f(K)\) admite uma subsucessão convergente para um ponto de \(f(K)\). Por conseguinte, \(f(K)\) é compacto.


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