Teorema do valor intermediário

O teorema do valor intermediário ^{(português brasileiro)} ou intermédio ^{(português europeu)} ou teorema de Bolzano (por vezes chamado teorema de Bolzano-Cauchy) garante que, se uma função real ${\displaystyle f}$ definida num intervalo ${\displaystyle [a,b]}$ é continua, então qualquer ponto ${\displaystyle d}$ tal que ${\displaystyle f(a)\leq d\leq f(b)}$ ou ${\displaystyle f(a)\geq d\geq f(b)}$ é da forma ${\displaystyle f(c)}$, para algum ponto ${\displaystyle c}$ do intervalo ${\displaystyle [a,b]}$.^[1] Em outras palavras, para uma tal função, dado qualquer valor ${\displaystyle d}$ entre ${\displaystyle f(a)}$ e ${\displaystyle f(b)}$, existe pelo menos um ${\displaystyle c}$ entre ${\displaystyle a}$ e ${\displaystyle b}$ tal que ${\displaystyle f(c)=d}$. Ou ainda, qualquer reta horizontal ${\displaystyle y=d}$ entre as retas ${\displaystyle f(a)}$ e ${\displaystyle f(b)}$ intercepta o gráfico da função em pelo menos um ponto ${\displaystyle (c,d)}$ com ${\displaystyle c\in [a,b]}$.

Corolário do Teorema de Bolzano

O Corolário do Teorema de Bolzano é um caso particular deste teorema quando ${\displaystyle d=0.}$ Ou seja se numa função contínua considerando dois pontos ${\textstyle a}$ e ${\textstyle b}$ e ${\displaystyle f(a)f(b)<0,}$ então existe pelo menos um ponto ${\displaystyle c\in ]a,b[:f(c)=0.}$ Ou seja, a função tem pelo menos uma raiz entre ${\textstyle a}$ e ${\textstyle b}$.^[1]

Demonstrações

Nas demonstrações que se seguem vai-se supor que se está no caso em que f(a) ≤ d ≤ f(b); o outro caso é análogo.^[1]

Primeira demonstração

Considerem-se os números a₁ e b₁ assim definidos:

• se f((a + b)/2) ≤ d, então a₁ = (a + b)/2 e b₁ = b;
• caso contrário, a₁ = a e b₁ = (a + b)/2.

Então a ≤ a₁ ≤ b₁ ≤ b, f(a₁) ≤ d ≤ f(b₁) e b₁ − a₁ = (b − a)/2.

Em seguida, definem-se pontos a₂ e b₂ a partir de a₁ e b₁ pelo mesmo processo e assim sucessivamente. Se se definir a₀ = a e b₀ = b, fica-se com uma sucessão ([a_n,b_n])_n ≥ 0 de intervalos que é decrescente, ou seja

${\displaystyle [a_{0},b_{0}]\supset [a_{1},b_{1}]\supset [a_{2},b_{2}]\supset \cdots }$

Pelo teorema do encaixe de intervalos, existe algum c que está em todos os intervalos. Por outro lado, como o comprimento de cada intervalo é metade do anterior, o comprimento dos intervalos tende para 0. Resulta deste facto e da definição de c que

${\displaystyle c=\lim _{n\in \mathbb {N} }a_{n}=\lim _{n\in \mathbb {N} }b_{n}.}$

Mas então, como f é contínua em c e como

${\displaystyle (\forall n\in \mathbb {N} ):f(a_{n})\leqslant d\leqslant f(b_{n}),}$

tem-se

${\displaystyle f(c)=\lim _{n\in \mathbb {N} }f(a_{n})\leqslant d{\mbox{ e }}f(c)=\lim _{n\in \mathbb {N} }f(b_{n})\geqslant d.}$

Logo, ${\displaystyle f(c)=d}$.

Segunda demonstração

Seja

${\displaystyle S=\left\{x\in [a,b]\,\vert \,(\forall y\in [a,x]):f(y)\leqslant d\right\}}$

Então S é majorado (nenhum elemento de S é maior do que b) e não é vazio (pois contém a). Logo, tem um supremo c. Então f(c) ≤ d, pois:

• se c = a, então tem-se f(c) ≤ d por hipótese;
• caso contrário, como f é contínua em c e f(x) ≤ d quando a ≤ x < c, f(c) ≤ d.

Se se tivesse f(c) < d, haveria, pela continuidade de f em c, pontos x tais que c < x ≤ b para os quais se teria f(y) < d em todo o intervalo [a,x], o que contradiz o facto de c ser o supremo de S. Logo, f(c) = d.

Corolários

• Uma função real de variável real contínua aplica intervalos em intervalos.
• Se f é uma função contínua de [a,b] em R e se f(a) e f(b) têm sinais opostos, então existe pelo menos um número real c entre a e b tal que f(c) = 0.^[1]
• Teorema dos pontos antipodais: Em qualquer círculo máximo em torno da Terra sempre existem pontos antipodais com mesma temperatura, pressão ou elevação (ou qualquer quantidade escalar que varie continuamente).^[2]

Demonstração

Chama de ${\displaystyle f}$ a função contínua definida no círculo em questão. Claramente, ${\displaystyle f(0)=f(2\pi )}$. Define ${\displaystyle g(t)=f(t)-f(t+\pi )}$. Nota que a função ${\displaystyle g}$ fornece a diferença da função ${\displaystyle f}$ entre dois pontos opostos no círculo, ou seja, pontos antipodais. Se ${\displaystyle g}$ é constante e igual a zero a afirmação fica estabelecida. Senão, pega um ponto ${\displaystyle a}$ tal que ${\displaystyle g(a)>0}$. Agora, observa que ${\displaystyle g(a)=-g(a+\pi )}$. Pelo Teorema do valor intermediário, existe ${\displaystyle c\in [a,a+\pi ]}$ tal que ${\displaystyle g(c)=0}$. Portanto, ${\displaystyle f(c)=f(c+\pi )}$. cqd

Referências

Referências gerais

• Agudo, F. R. Dias, Análise Real (3 volumes), Lisboa: Escolar Editora, 1994
• Ostrowski, A., Lições de Cálculo Diferencial e Integral (3 volumes), Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1981