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
Resolva y″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = -2. Encontre y(2).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 3 para x > 0, com y(1) = 4. Encontre y(3).
y′ + y/x = 3y(1) = 4
y(3) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(2x2 + 4). Calcule f′(3).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 + 1,5x2 − 4. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 + 1,5x2 − 4
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 5 faixas. Dê T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 5
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 com o método de Euler e passo h = 0,5 até t = 1,5. A solução exata é y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Encontre o erro global |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 0,2015
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = -2 + 6 = 4
Calcular
y(2) = (3 + 4·2)·e−4 = 0,2015
Resposta
y(2) = 0,2015
2.Equações diferenciais
Resposta: y(3) = 5,333
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 = e∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 3x → x1y = 3x2/2 + C
Condição inicial
4 = 3/2 + C → C = 2,5
Calcular
y(3) = (3·32/2 + 2,5)/31 = 5,333
Resposta
y(3) = 5,333
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 = 3,602
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
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Resposta
I = 3,602
5.Derivadas
Resposta: f′(3) = 0,5455
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 para o logaritmo
f′(x) = 4x/(2x2 + 4)
Substituir
f′(3) = 12/22 = 0,5455
Resposta
f′(3) = 0,5455
6.Derivadas
Resposta: x = −1
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.
Derivada
f′(x) = 3x2 + 3x = 3·(x2 + x)
Resolver f′(x) = 0
x = −1 ou x = 0
Qual é qual
f″(x) = 6x + 3: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−1) = −3, f″(0) = 3
x = −1
Resposta
x = −1
7.Métodos numéricos
Resposta: T = 0,7444
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.
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,05968
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.
Passos de Euler
y3 = 1,799774
Valor exato
y(1,5) = 1,740097
Erro global
|E| = |1,740097 − 1,799774| = 0,05968
Gráfico
Resposta
|E| = 0,05968
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.