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Limites e continuidade

Teorema do Confronto: sen x/x, x² sen(1/x) e limites trigonométricos

Aprenda o Teorema do Confronto passo a passo, entenda por que sen x/x tende a 1 e resolva limites trigonométricos como x² sen(1/x) e (1 - cos x)/x.

Pela equipe do PracticeCalculus Publicado 10 min de leitura

Nesta página
  1. O que é o Teorema do Confronto?
  2. A desigualdade que resolve quase todo exercício
  3. Como usar o Teorema do Confronto em 4 passos
  4. Exemplo resolvido 1: x² sen(1/x) quando x tende a 0
  5. Exemplo resolvido 2: sen x / x quando x tende ao infinito
  6. Exemplo resolvido 3: por que o limite de sen x / x quando x tende a 0 é 1
  7. Exemplo resolvido 4: o limite de (1 - cos x)/x
  8. Exemplo resolvido 5: ajustando sen(kx)/x e tg x/x
  9. A versão com módulo
  10. Erros comuns com o Teorema do Confronto
  11. Referência rápida: limites trigonométricos clássicos
  12. Pratique até as cotas virem naturalmente

Você substitui x = 0 em \frac{\sin x}{x} e obtém \frac{0}{0}. Tenta x^2 \sin(1/x) e a calculadora mostra uma oscilação que nunca se acalma. Fatorar não ajuda, e as propriedades dos limites dizem que você não pode separar o produto, porque \sin(1/x) não tem limite. O Teorema do Confronto é a ferramenta feita exatamente para esses limites.

Este guia explica o que o Teorema do Confronto diz, apresenta um método confiável em quatro passos e resolve os limites trigonométricos clássicos que toda disciplina de Cálculo 1 cobra, incluindo a famosa demonstração de que \frac{\sin x}{x} \to 1.

O que é o Teorema do Confronto?

Em linguagem simples: se uma função está presa entre um piso e um teto, e o piso e o teto se encontram na mesma altura, a função do meio também é espremida até essa altura.

Eis o enunciado formal. Suponha que, para todo x perto de a (exceto possivelmente em x = a),

g(x) \le f(x) \le h(x)

e que

\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = L.

Então

\lim_{x \to a} f(x) = L.

O mesmo enunciado vale para limites laterais e para limites com x \to \infty. Você também vai encontrá-lo com o nome de Teorema do Sanduíche. A página de referência do Teorema do Confronto traz o enunciado de forma compacta.

Dois detalhes importam:

  1. A desigualdade só precisa valer perto de a, não em todo lugar. Para x \to 0, basta que ela valha em algum intervalo pequeno, como 0 < \lvert x \rvert < 1.
  2. As duas cotas precisam ter o mesmo limite. Se o piso tende a -1 e o teto tende a 1, você só descobriu que f fica entre eles, e não para onde ela vai.

Se quiser relembrar o que é um limite antes de continuar, veja O que é um limite no cálculo?.

A desigualdade que resolve quase todo exercício

Seno e cosseno nunca saem do intervalo [-1, 1], não importa o que você coloque dentro deles:

-1 \le \sin(\text{anything}) \le 1, \qquad -1 \le \cos(\text{anything}) \le 1.

Esse é todo o truque. O argumento pode ser 1/x, x^3 ou e^x, e o resultado continua preso. A maioria dos exercícios de confronto começa por essa linha e depois multiplica ou divide cada parte por algo que tende a 0 ou a \infty. Você pode ver a onda limitada na página da função seno.

Como usar o Teorema do Confronto em 4 passos

  1. Isole a parte limitada. Encontre a parte que oscila, geralmente um seno ou cosseno, e escreva -1 \le \sin(\dots) \le 1.
  2. Monte o resto da função. Multiplique (ou divida) as três partes pelo fator restante. Se esse fator puder ser negativo, use módulo para que a desigualdade não se inverta sem você perceber.
  3. Calcule o limite das duas cotas. Use substituição direta ou as propriedades dos limites.
  4. Confira se elas coincidem. Se as duas cotas tendem a L, conclua que a função do meio também tende.

Exemplo resolvido 1: x² sen(1/x) quando x tende a 0

Calcule \displaystyle \lim_{x \to 0} x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right).

Por que os outros métodos falham. A substituição dá 0 \cdot \sin(1/0), que não está definido. A propriedade do produto exige que os dois limites existam, mas \sin(1/x) oscila entre -1 e 1 infinitas vezes perto de 0 e não tem limite.

Passo 1. Limite a parte que oscila. Para todo x \ne 0,

-1 \le \sin\left(\frac{1}{x}\right) \le 1.

Passo 2. Multiplique por x^2. Como x^2 > 0 para x \ne 0, a multiplicação não inverte as desigualdades:

-x^2 \le x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right) \le x^2.

Passo 3. Calcule os limites das cotas.

\lim_{x \to 0} (-x^2) = 0, \qquad \lim_{x \to 0} x^2 = 0.

Passo 4. Conclua. As duas cotas tendem a 0, então

\lim_{x \to 0} x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right) = 0.
x² sen(1/x) confinada entre y = x² e y = -x² perto de 0
A curva x^2 \sin(1/x) oscila infinitas vezes perto de 0, mas fica presa entre -x^2 e x^2, que encolhem até 0.

Exemplo resolvido 2: sen x / x quando x tende ao infinito

Calcule \displaystyle \lim_{x \to \infty} \frac{\sin x}{x}.

Passo 1. Comece por -1 \le \sin x \le 1.

Passo 2. Só nos interessam valores grandes de x, então tome x > 0. Dividir por um número positivo mantém o sentido da desigualdade:

-\frac{1}{x} \le \frac{\sin x}{x} \le \frac{1}{x}.

Passo 3. As duas cotas tendem a 0 quando x \to \infty (veja limites no infinito se esse passo não for familiar).

Passo 4. Portanto

\lim_{x \to \infty} \frac{\sin x}{x} = 0.
sen(x)/x presa entre 1/x e -1/x à medida que x cresce
Quando x \to \infty, as cotas \pm\frac{1}{x} se fecham em torno de 0, e \frac{\sin x}{x} é espremida até 0 junto com elas.

Repare no contraste com o próximo exemplo. A mesma expressão tem limite 0 no infinito, mas limite 1 em zero. Sempre confira para onde x está indo.

Exemplo resolvido 3: por que o limite de sen x / x quando x tende a 0 é 1

Este é o limite trigonométrico mais importante de Cálculo 1, conhecido como limite trigonométrico fundamental:

\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1.

A substituição dá \frac{0}{0}, e a desigualdade simples -1 \le \sin x \le 1 não basta aqui (dividindo por x obtemos as cotas \pm\frac{1}{x}, que explodem). Precisamos de cotas mais precisas, e elas vêm da geometria.

Passo 1. Monte o círculo trigonométrico. Tome 0 < x < \frac{\pi}{2}, medido em radianos. Seja O a origem, A = (1, 0), P = (\cos x, \sin x) no círculo e T = (1, \tan x) o ponto onde a reta que passa por O e P encontra a reta vertical x = 1.

Passo 2. Compare três áreas. O triângulo pequeno OAP está contido no setor OAP, que está contido no triângulo grande OAT:

  • Triângulo OAP: base 1, altura \sin x, área \frac{1}{2}\sin x.
  • Setor de ângulo x num círculo de raio 1: área \frac{1}{2}x.
  • Triângulo OAT: base 1, altura \tan x, área \frac{1}{2}\tan x.

Logo

\frac{1}{2}\sin x \le \frac{1}{2}x \le \frac{1}{2}\tan x \quad\Longrightarrow\quad \sin x \le x \le \frac{\sin x}{\cos x}.

Passo 3. Divida por \sin x. Ele é positivo em 0 < x < \frac{\pi}{2}, então nada se inverte:

1 \le \frac{x}{\sin x} \le \frac{1}{\cos x}.

Passo 4. Tome os inversos. As três quantidades são positivas, e tomar o inverso de números positivos inverte as desigualdades:

\cos x \le \frac{\sin x}{x} \le 1.

Passo 5. Trate o caso de x negativo. Tanto \cos x quanto \frac{\sin x}{x} são funções pares (trocar x por -x não muda nada), então a mesma desigualdade vale para -\frac{\pi}{2} < x < 0.

Passo 6. Aplique o confronto. \lim_{x \to 0} \cos x = 1 e \lim_{x \to 0} 1 = 1, então

\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1.
sen(x)/x confinada entre cos(x) e 1 perto de x = 0
Para 0 < \lvert x \rvert < \frac{\pi}{2}, o gráfico de \frac{\sin x}{x} fica entre \cos x e 1. As duas cotas valem 1 em x = 0, então o limite é 1.

Dica: é por causa desse limite que a derivada de \sin x é \cos x. A demonstração em Derivadas das funções trigonométricas usa esse limite diretamente. É também por isso que usar a regra de L'Hôpital em \frac{\sin x}{x} é um argumento circular: L'Hôpital precisa dessa derivada antes.

Exemplo resolvido 4: o limite de (1 - cos x)/x

Calcule \displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x}.

Depois que você sabe que \frac{\sin x}{x} \to 1, não precisa de um novo confronto. A álgebra transforma este limite no que você já conhece.

Passo 1. Multiplique pelo conjugado 1 + \cos x:

\frac{1 - \cos x}{x} \cdot \frac{1 + \cos x}{1 + \cos x} = \frac{1 - \cos^2 x}{x(1 + \cos x)}.

Passo 2. Use 1 - \cos^2 x = \sin^2 x:

\frac{\sin^2 x}{x(1 + \cos x)} = \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{\sin x}{1 + \cos x}.

Passo 3. Calcule cada limite. O primeiro fator tende a 1. O segundo é contínuo em 0, então basta substituir: \frac{\sin 0}{1 + \cos 0} = \frac{0}{2} = 0.

\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x} = 1 \cdot 0 = 0.

Os mesmos passos resolvem um parente próximo. Para \frac{1 - \cos x}{x^2}, você obtém \left(\frac{\sin x}{x}\right)^2 \cdot \frac{1}{1 + \cos x} \to 1 \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{2}.

Exemplo resolvido 5: ajustando sen(kx)/x e tg x/x

Muitas questões de prova disfarçam \frac{\sin x}{x}. A saída é fazer o denominador coincidir com o argumento do seno.

Calcule \displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{\sin(5x)}{3x}.

O argumento é 5x, então queremos 5x no denominador. Multiplique e divida por 5:

\frac{\sin(5x)}{3x} = \frac{5}{3} \cdot \frac{\sin(5x)}{5x}.

Quando x \to 0, também u = 5x \to 0, então \frac{\sin u}{u} \to 1. A resposta é \frac{5}{3}.

Calcule \displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{\tan x}{x}.

Escreva a tangente como seno sobre cosseno:

\frac{\tan x}{x} = \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{1}{\cos x} \to 1 \cdot \frac{1}{1} = 1.

A versão com módulo

Um atalho útil decorre do Teorema do Confronto: se \lvert f(x) \rvert \le h(x) e h(x) \to 0, então f(x) \to 0. Isso porque -h(x) \le f(x) \le h(x), e os dois lados tendem a 0.

Por exemplo, \lvert x \sin(1/x) \rvert \le \lvert x \rvert e \lvert x \rvert \to 0, então \lim_{x \to 0} x \sin(1/x) = 0. Essa versão só funciona quando o limite procurado é 0.

Erros comuns com o Teorema do Confronto

  1. Cotas que não coincidem. Escrever -1 \le \cos x \le 1 e parar aí não prova nada sobre o limite. O piso e o teto precisam tender ao mesmo número.
  2. Inverter sinais sem cuidado. Para x \sin(1/x), escrever -x \le x\sin(1/x) \le x está errado quando x < 0, porque multiplicar por um número negativo inverte as desigualdades. Use -\lvert x \rvert \le x\sin(1/x) \le \lvert x \rvert.
  3. Separar o limite pela propriedade do produto. Escrever \lim x^2 \cdot \lim \sin(1/x) = 0 \cdot (\text{something}) é inválido, porque \lim_{x \to 0}\sin(1/x) não existe. As propriedades dos limites exigem que cada parte tenha limite.
  4. Confundir x \to 0 com x \to \infty. \frac{\sin x}{x} tende a 1 em 0, mas a 0 no infinito.
  5. Argumento e denominador diferentes. \frac{\sin(5x)}{x} não é 1. É 5 \cdot \frac{\sin(5x)}{5x} \to 5.
  6. Usar graus. A área do setor é \frac{1}{2}x apenas em radianos. Em graus, \frac{\sin x}{x} tende a \frac{\pi}{180}, e não a 1.

Para mais armadilhas como essas em todo o conteúdo de Cálculo 1, veja 12 erros comuns em cálculo.

Referência rápida: limites trigonométricos clássicos

Limite Valor Como obter
\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} 1 Confronto com \cos x e 1
\lim_{x \to 0} \frac{\sin(kx)}{x} k Reescreva como k \cdot \frac{\sin(kx)}{kx}
\lim_{x \to 0} \frac{\tan x}{x} 1 \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{1}{\cos x}
\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x} 0 Multiplique pelo conjugado 1 + \cos x
\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2} \frac{1}{2} Conjugado, depois \left(\frac{\sin x}{x}\right)^2 \cdot \frac{1}{1 + \cos x}
\lim_{x \to 0} x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right) 0 Confronto com \pm x^2
\lim_{x \to 0} x \sin\left(\frac{1}{x}\right) 0 Confronto com \pm\lvert x \rvert
\lim_{x \to \infty} \frac{\sin x}{x} 0 Confronto com \pm\frac{1}{x}

O Teorema do Confronto é uma das cinco estratégias padrão para calcular limites. Para o conjunto completo de ferramentas, incluindo quando recorrer primeiro à substituição, à fatoração ou ao conjugado, leia Como calcular limites.

Pratique até as cotas virem naturalmente

A parte difícil do Teorema do Confronto não é o teorema. É escolher as cotas e manter os sinais das desigualdades corretos. Isso fica automático depois de uma dúzia de exercícios. Resolva a prática interativa de limites abaixo: cada questão dá retorno imediato, aponta na hora uma cota que não coincide ou uma desigualdade invertida e mostra a resolução completa, para você ver exatamente onde o confronto acontece.

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Prática de limites

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Praticar esta lição

Perguntas frequentes

O que é o Teorema do Confronto, em termos simples?

Se uma função está presa entre duas outras funções, e essas duas tendem ao mesmo valor, a função do meio não tem para onde fugir. Ela também precisa tender a esse valor. Por isso ele também é chamado de Teorema do Sanduíche.

Quando devo usar o Teorema do Confronto?

Use quando o limite envolve uma parte limitada mas que oscila muito, como \sin(1/x) ou \cos x quando x \to \infty, multiplicada ou dividida por algo que tende a zero ou ao infinito. Substituição direta e fatoração não funcionam nesses casos, e as propriedades dos limites não se aplicam porque a parte que oscila não tem limite.

Por que o limite de sen x sobre x é igual a 1?

Comparando as áreas de dois triângulos e de um setor circular no círculo trigonométrico, obtemos \cos x \le \frac{\sin x}{x} \le 1 para x perto de 0. Como \cos x \to 1, o Teorema do Confronto força \frac{\sin x}{x} \to 1. Isso só vale quando x é medido em radianos.

Posso usar a regra de L'Hôpital para sen x sobre x?

Você vai chegar ao número certo, mas o argumento é circular. A regra de L'Hôpital precisa da derivada de \sin x, e essa derivada é demonstrada usando \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1. Muitos professores exigem a demonstração pelo Teorema do Confronto exatamente por isso.

Qual é o limite de sen x sobre x quando x tende ao infinito?

É 0, e não 1. Para x > 0 temos -\frac{1}{x} \le \frac{\sin x}{x} \le \frac{1}{x}, e as duas cotas tendem a 0, então o Teorema do Confronto dá 0.

Escrito pela equipe do PracticeCalculus

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