Equações Diferenciais: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Equações diferenciais

Crescimento/decaimento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Meia-vida
k = ln 2 / t½
Lei de resfriamento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fator integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tanque de mistura
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrais

Regra da potência
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrais comuns
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
  2. Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
  3. Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
  4. Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).

Derivadas

Regra da potência
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regra do produto
(uv)′ = u′v + uv′
Regra do quociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regra da cadeia
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas comuns
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifique a estrutura: soma, produto, quociente ou composição.
  2. Aplique a regra da potência a cada potência de x.
  3. Use a regra do produto, do quociente ou da cadeia quando necessário.
  4. Simplifique e, se pedido, calcule o valor no ponto.

Métodos numéricos

Bissecção
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolação linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regra do trapézio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regra de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota do erro do trapézio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. Para uma raiz: verifique a mudança de sinal na bissecção, ou calcule f e f′ em Newton, e mantenha seis ou mais algarismos numa tabela de iterados.
  2. Para um valor de tabela: interpole linearmente entre os dois pontos vizinhos.
  3. Para uma integral: encontre h = (b − a)/n, liste f em cada nó, aplique os pesos (1, 2, …, 2, 1 para o trapézio; 1, 4, 2, …, 4, 1 para Simpson com n par) e multiplique por h/2 ou h/3.
  4. Para uma EDO: avance a partir de t₀ com yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) ou com a inclinação média (Heun), uma linha por passo, até chegar ao t pedido.

2Exercícios

1.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 3y(1) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 16y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = -1. Encontre y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(1) =
2.Equações diferenciaisDifícil
ty1,5y(1,5) = ?

Resolva y′ + 2y = 6e−0,5t com y(0) = 0. Encontre y(1,5).

y′ + 2y = 6e−0,5ty(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraisMédia
xy01

Calcule I = ∫01 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
4.IntegraisDifícil
xy−22

Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.

y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 2

Seja f(x) = (2x − 1)4. Calcule f′(2).

f(x) = (2x − 1)4x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
xyx = −1

A reta tangente a f(x) = 2x2 − 3x − 5 em x = −1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.

f(x) = 2x2 − 3x − 5x = −1
b =
7.Métodos numéricosMédia
t (s)024681012v (m/s)47612101214

A velocidade de um veículo é medida a cada 2 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 12 s com a regra de Simpson.

h = 2 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,600,5ty(0, 0)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,2 para y′ = e−ty, y(0) = 0 para estimar y3 ≈ y(0,6).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,2
y3 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 0,2564

Equações lineares de segunda ordem: para y″ + b·y′ + c·y = 0, tente y = ert: isso dá a equação característica r² + b·r + c = 0. Duas raízes reais r₁ ≠ r₂ dão y = A·er₁t + B·er₂t (superamortecido); uma raiz dupla r dá y = (A + Bt)·ert (amortecimento crítico); raízes complexas −α ± jω dão y = e−αt(A cos ωt + B sen ωt) (subamortecido, oscilante). Os valores iniciais y(0) e y′(0) determinam A e B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn é a frequência natural e ζ o coeficiente de amortecimento: ζ < 1 oscila. Com uma entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, a solução é o valor estacionário K mais a resposta livre.

Raiz dupla

(r + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 12 = 11

Calcular

y(1) = (3 + 11·1)·e−4 = 0,2564

Resposta

y(1) = 0,2564
2.Equações diferenciais

Resposta: y(1.5) = 1,69

Equações diferenciais de primeira ordem: dy/dt = k·y tem a solução y = y₀·ekt (crescimento para k > 0, decaimento para k < 0); uma meia-vida T dá k = ln 2/T. A lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dá T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Uma equação linear y′ + p(x)·y = q(x) é resolvida com o fator integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, então μy = ∫μq dx + C.

Fator integrante

μ = e2t
(e2ty)′ = 6e1,5t

Solução geral

y = 6/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 4·e−0,5t + C·e−2t

Condição inicial

0 = 4 + C → C = −4

Calcular

y(1,5) = 4·0,4724 + (−4)·0,04979 = 1,69

Resposta

y(1,5) = 1,69
3.Integrais

Resposta: I = 0,7869

Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.

Primitiva

F(x) = e−0,5x/(−0,5)

Avaliar nos limites

I = (e−0,5 − 1)/(−0,5) = (0,6065 − 1)/(−0,5) = 0,7869

Resposta

I = 0,7869
4.Integrais

Resposta: A = 10,67

Integrais definidos: ∫ₐᵇ f(x) dx é a área com sinal entre o gráfico e o eixo x de a a b. Encontre uma primitiva F (com F′ = f) e calcule F(b) − F(a). Regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). A área entre duas curvas é ∫(superior − inferior) dx.

Zeros

4 − x² = 0 → x = ±2

Integrar

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Resposta

A = 10,67
5.Derivadas

Resposta: f′(2) = 216

Derivação: a derivada f′(x) é o declive do gráfico em x. Regra da potência: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regra do produto: (uv)′ = u′v + uv′. Regra da cadeia: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Onde f′(x) = 0 o gráfico tem tangente horizontal: um máximo, um mínimo ou um ponto de sela.

Regra da cadeia

f′(x) = 4·(2x − 1)3·2

Substituir

f′(2) = 4·33·2 = 216

Resposta

f′(2) = 216
6.Derivadas

Resposta: b = −7

Derivação: a derivada f′(x) é o declive do gráfico em x. Regra da potência: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regra do produto: (uv)′ = u′v + uv′. Regra da cadeia: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Onde f′(x) = 0 o gráfico tem tangente horizontal: um máximo, um mínimo ou um ponto de sela.

Ponto e declive

f(−1) = 0
f′(x) = 4x − 3 → f′(−1) = −7

Reta tangente em x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − (−7)·(−1) = −7

Resposta

b = −7
7.Métodos numéricos

Resposta: s = 116 m

Integração numérica: divida [a, b] em n faixas de largura h = (b − a)/n com nós x₀ … xₙ. Regra do trapézio: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regra de Simpson (n par): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. O erro do trapézio diminui como h² (cota (b − a)h²·M/12 com M = max|f″|), o de Simpson como h⁴, de modo que Simpson costuma ser muito mais preciso com os mesmos nós.

Soma ponderada

4 + 4·7 + 2·6 + 4·12 + 2·10 + 4·12 + 14 = 174

Regra de Simpson

s = (2/3)·174 = 116 m

Resposta

s = 116 m
8.Métodos numéricos

Resposta: y3 = 0,5357

Solução numérica de y′ = f(t, y): o método de Euler avança ao longo da inclinação no início de cada passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). O método de Heun (Euler melhorado) faz a média da inclinação no início e numa previsão de Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). O método clássico de Runge–Kutta (RK4) combina quatro inclinações: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). O erro global de Euler é proporcional a h, o de Heun a h², o de RK4 a h⁴.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00010,9607890,19607910,20,1960790,9615430,8561110,37784420,40,3778440,8597290,7190140,535719

Passos de Heun

y₁ = 0 + (0,2/2)(1 + 0,960789) = 0,196079
y₂ = 0,196079 + (0,2/2)(0,961543 + 0,856111) = 0,377844
y₃ = 0,377844 + (0,2/2)(0,859729 + 0,719014) = 0,535719
00,20,40,600,5ty

Gráfico

y3 = 0,5357

Resposta

y3 = 0,5357

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