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Teorema de Weierstrass: Enunciado e Demonstração

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By Pimath, 8 Junho, 2025

O Teorema de Weierstrass é um dos resultados fundamentais da análise matemática. Estabelece que uma função contínua definida num intervalo fechado e limitado atinge necessariamente um valor máximo e um valor mínimo.

Em outras palavras, uma função contínua num intervalo do tipo \([a,b]\) não é apenas limitada, mas atinge efetivamente o seu máximo absoluto e o seu mínimo absoluto em pontos do intervalo.


Índice

  • Enunciado do Teorema de Weierstrass
  • Existência do máximo
  • Existência do mínimo
  • Por que razão as hipóteses são necessárias

Enunciado do Teorema de Weierstrass

Seja

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

uma função contínua no intervalo fechado e limitado \([a,b]\subseteq\mathbb R\), com \(a\leq b\). Então \(f\) é limitada e atinge um máximo absoluto e um mínimo absoluto em \([a,b]\).

Isto significa que existem dois 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 número \(f(x_M)\) é o máximo absoluto de \(f\) em \([a,b]\), enquanto o número \(f(x_m)\) é o mínimo absoluto de \(f\) em \([a,b]\).

Existência do máximo

Demonstremos, em primeiro lugar, que \(f\) atinge um máximo absoluto em \([a,b]\).

Suponhamos, por redução ao absurdo, que \(f\) não é limitada superiormente em \([a,b]\). Então, para cada inteiro \(n\geq 1\), existe um ponto \(x_n\in[a,b]\) tal que

\[ f(x_n)>n. \]

A sucessão \((x_n)\) está contida no intervalo fechado e limitado \([a,b]\), logo é limitada. Pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, admite uma subsucessão convergente:

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

Como \(a\leq x_{n_k}\leq b\) para todo \(k\), passando ao limite obtém-se

\[ x_0\in[a,b]. \]

Sendo \(f\) contínua em \(x_0\), tem-se

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

Em particular, a sucessão \((f(x_{n_k}))\) tem de ser limitada, uma vez que toda a sucessão convergente é limitada.

Por outro lado, por construção temos

\[ f(x_{n_k})>n_k. \]

Como \(n_k\to+\infty\), segue-se que \(f(x_{n_k})\to+\infty\), o que contradiz que \((f(x_{n_k}))\) seja convergente e, portanto, limitada.

Assim, \(f\) é limitada superiormente em \([a,b]\).

Como \([a,b]\) não é vazio e \(f\) é limitada superiormente em \([a,b]\), o conjunto \(f([a,b])\) não é vazio e é limitado superiormente. Podemos então definir

\[ M=\sup f([a,b]). \]

Queremos demonstrar que este supremo é, de facto, atingido pela função.

Pela propriedade característica do supremo, para cada inteiro \(n\geq 1\) existe \(x_n\in[a,b]\) tal que

\[ M-\frac{1}{n}\lt f(x_n)\leq M. \]

Daqui segue-se que

\[ f(x_n)\to M. \]

A sucessão \((x_n)\) está contida em \([a,b]\), logo é limitada. Pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, existe uma subsucessão

\[ x_{n_k}\to x_M \]

com \(x_M\in[a,b]\).

Pela continuidade de \(f\), tem-se

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

Mas, como \(f(x_n)\to M\), a subsucessão \((f(x_{n_k}))\) também converge para \(M\). Pela unicidade do limite,

\[ f(x_M)=M. \]

Logo, \(f\) atinge um máximo absoluto em \([a,b]\).

Existência do mínimo

Demonstremos agora que \(f\) atinge um mínimo absoluto em \([a,b]\).

O raciocínio é análogo ao desenvolvido para o máximo.

Em primeiro lugar, \(f\) é limitada inferiormente. De facto, se não o fosse, para cada inteiro \(n\geq 1\) existiria um ponto \(w_n\in[a,b]\) tal que

\[ f(w_n)<-n. \]

A sucessão \((w_n)\), estando contida em \([a,b]\), é limitada. Pelo teorema de Bolzano-Weierstrass, existe uma subsucessão

\[ w_{n_k}\to w_0 \]

com \(w_0\in[a,b]\).

Pela continuidade de \(f\), ter-se-ia

\[ f(w_{n_k})\to f(w_0). \]

Mas, por construção, \(f(w_{n_k})<-n_k\), e portanto \(f(w_{n_k})\to-\infty\), o que é impossível para uma sucessão convergente para um número real.

Assim, \(f\) é limitada inferiormente em \([a,b]\).

Como \([a,b]\) não é vazio e \(f\) é limitada inferiormente em \([a,b]\), o conjunto \(f([a,b])\) não é vazio e é limitado inferiormente. Podemos então definir

\[ m=\inf f([a,b]). \]

Pela propriedade característica do ínfimo, para cada inteiro \(n\geq 1\) existe \(y_n\in[a,b]\) tal que

\[ m\leq f(y_n)\lt m+\frac{1}{n}. \]

Daqui segue-se que

\[ f(y_n)\to m. \]

Como \((y_n)\) está contida em \([a,b]\), o teorema de Bolzano-Weierstrass garante a existência de uma subsucessão

\[ y_{n_k}\to x_m \]

com \(x_m\in[a,b]\).

Pela continuidade de \(f\), tem-se

\[ f(y_{n_k})\to f(x_m). \]

Mas também \(f(y_{n_k})\to m\). Pela unicidade do limite,

\[ f(x_m)=m. \]

Logo, \(f\) atinge um mínimo absoluto em \([a,b]\).

Fica assim demonstrado que uma função contínua num intervalo fechado e limitado é limitada e atinge tanto o seu máximo absoluto como o seu mínimo absoluto.

Por que razão as hipóteses são necessárias

As hipóteses do Teorema de Weierstrass são essenciais. Se faltar a continuidade, ou se o intervalo não for fechado ou não for limitado, a conclusão pode ser falsa.

Se o intervalo não for fechado. Consideremos a função

\[ f(x)=x \]

definida no intervalo aberto \((0,1)\). A função é contínua e limitada, mas não atinge nem máximo nem mínimo. Com efeito, os valores da função podem aproximar-se arbitrariamente de \(0\) e de \(1\), mas os pontos \(0\) e \(1\) não pertencem ao domínio.

Se o intervalo não for limitado. Consideremos a função

\[ f(x)=x \]

definida em \(\mathbb R\). A função é contínua, mas não é limitada nem superiormente nem inferiormente. Consequentemente, não admite máximo nem mínimo absolutos.

Se faltar a continuidade. Consideremos a função \(f:[0,1]\to\mathbb R\) definida por

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

O domínio \([0,1]\) é fechado e limitado, mas \(f\) não é contínua em \(x=1\). A função é limitada, mas não atinge um máximo absoluto: com efeito,

\[ \sup f([0,1])=1, \]

mas não existe nenhum \(x\in[0,1]\) tal que \(f(x)=1\). Com efeito, para \(0\leq x\lt 1\) tem-se \(f(x)=x\lt 1\), enquanto \(f(1)=0\).

Estes exemplos mostram que o Teorema de Weierstrass depende, de modo essencial, de todas as suas hipóteses: a continuidade da função e a condição de o domínio ser fechado e limitado.


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  • Análise Matemática 1

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