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″ + 8y′ + 16y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 0. Encontre y(2).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 8y = 8 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.
y″ + 4y′ + 8y = 8y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
A região sob y = x, de x = 0 até x = 2, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).
y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = x2 e y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (2x + 1)3. Calcule f′(2).
f(x) = (2x + 1)3x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 1. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 1
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 6 faixas. Dê T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 6
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,75).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 0,006038
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) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 8 = 8
Calcular
y(2) = (2 + 8·2)·e−8 = 0,006038
Resposta
y(2) = 0,006038
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 1,043
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 = 1, r = −2 ± 2j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −1
Pico
t = π/2 = 1,571
ymax = 1·(1 + e−2·π/2) = 1,043
Resposta
ymax = 1,043
3.Integrais
Resposta: V = 8,378
Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.
Método dos discos
V = π∫₀2 1x² dx
Integrar
V = π·1·2³/3 = 8,378
Resposta
V = 8,378
Verificação: um cone de raio 2 e altura 2 tem (1/3)πr²h = 8,378.
4.Integrais
Resposta: A = 4,5
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.
Pontos de interseção
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Resposta
A = 4,5
5.Derivadas
Resposta: f′(2) = 150
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) = 3·(2x + 1)2·2
Substituir
f′(2) = 3·52·2 = 150
Resposta
f′(2) = 150
6.Derivadas
Resposta: x = 4
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Resolver f′(x) = 0
x = 2 ou x = 4
Qual é qual
f″(x) = 6x − 18: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4
Resposta
x = 4
7.Métodos numéricos
Resposta: T = 0,7451
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: y3 = 1,422
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.