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.
Para um valor de tabela: interpole linearmente entre os dois pontos vizinhos.
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.
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
Uma xícara de café a 88 °C é deixada em uma sala a 18 °C. Após 20 min sua temperatura é 32 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 22 °C?
T0 = 88 °CTa = 18 °CT(20) = 32 °CT = 22 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 4y′ + 8y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1,5); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(2x), com x em radianos. Calcule f′(1,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = −x2 − 3x − 2 em x = 2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = −x2 − 3x − 2x = 2
b =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 10 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 40 s com a regra de Simpson.
h = 10 sn = 4
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,1 para y′ = t² + y², y(0) = 0,5 para estimar y2 ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y2 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 35,57 min
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.
Constante de resfriamento
k = ln(70/14)/20 = 0,08047 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(70/4)/0,08047 = 35,57 min
Resposta
t = 35,57 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = −0,1268
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.
Raízes complexas
r = −2 ± 2j
Constantes
A = 3, B = 2·3/2 = 3
Calcular
y(1,5) = e−3(3·cos 3 + 3·sin 3) = −0,1268
Resposta
y(1,5) = −0,1268
3.Integrais
Resposta: I = 156
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.
Substituição
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Integrar e avaliar
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Resposta
I = 156
4.Integrais
Resposta: I = 98,43
Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.
Primeira rodada
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda rodada
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Resposta
I = 98,43
5.Derivadas
Resposta: f′(1.5) = −2,829
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.
Regras do produto e da cadeia
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Substituir
f′(1,5) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Resposta
f′(1,5) = −2,829
6.Derivadas
Resposta: b = 2
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(2) = −12
f′(x) = −2x − 3 → f′(2) = −7
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −12 − (−7)·2 = 2
Resposta
b = 2
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 136,7 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
6 + 4·4 + 2·4 + 4·2 + 3 = 41
Regra de Simpson
s = (10/3)·41 = 136,7 m
Resposta
s = 136,7 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y2 = 0,5586
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.