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 lata de refrigerante a 3 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 30 °C. Após 27 min sua temperatura é 25 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 27 °C?
T0 = 3 °CTa = 30 °CT(27) = 25 °CT = 27 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.
y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(3x2 + 1). Calcule f′(1).
f(x) = ln(3x2 + 1)x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 0,5x2 − 5x − 3 em x = −2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 0,5x2 − 5x − 3x = −2
b =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 eˣ dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0005.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,1 para y′ = cos t − y, y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,3).
y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 35,18 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(-27/-5)/27 = 0,06246 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(-27/(−3))/0,06246 = 35,18 min
Resposta
t = 35,18 min
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 13,9
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.
Valor estacionário e raízes
yss = 10, r = −1,5 ± 5j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3
Pico
t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/5) = 13,9
Resposta
ymax = 13,9
3.Integrais
Resposta: I = 2,333
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 = ∫12 u2 du
Integrar e avaliar
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Resposta
I = 2,333
4.Integrais
Resposta: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Resposta
I = 12,78
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = 1,5
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) = 6x/(3x2 + 1)
Substituir
f′(1) = 6/4 = 1,5
Resposta
f′(1) = 1,5
6.Derivadas
Resposta: b = −5
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) = 9
f′(x) = x − 5 → f′(−2) = −7
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 9 − (−7)·(−2) = −5
Resposta
b = −5
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 100
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.
Cota da segunda derivada
M = e2 = 7,389
Resolver em ordem a n
n² > 8·7,389/(12·0,0005) = 9852
n > 99,26 → n = 100
Resposta
n = 100
8.Métodos numéricos
Resposta: y3 = 0,9976
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.