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 24 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,1 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 24 min.
T0 = 3 °CTa = 24 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 24 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 4y′ + 13y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,5); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (3x − 3)4. Calcule f′(−1).
f(x) = (3x − 3)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 3. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 sin x 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 1 × 10⁻⁵.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,1 para y′ = t + y, y(0) = 2 para estimar y4 ≈ y(0,4).
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,1
y4 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 22,09 °C
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.
Solução da lei de resfriamento
T(t) = 24 + (−21)·e−0,1t
Substituir t
T(24) = 24 + (−21)·0,09072 = 22,09 °C
Resposta
T = 22,09 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 0,2707
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 ± 3j
Constantes
A = 1, B = 2·1/3 = 0,6667
Calcular
y(0,5) = e−1(1·cos 1,5 + 0,6667·sin 1,5) = 0,2707
Resposta
y(0,5) = 0,2707
3.Integrais
Resposta: I = 3,437
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) = e0,5x/0,5
Avaliar nos limites
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Resposta
I = 3,437
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′(−1) = −2592
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·(3x − 3)3·3
Substituir
f′(−1) = 4·(−6)3·3 = −2592
Resposta
f′(−1) = −2592
6.Derivadas
Resposta: x = −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.
Derivada
f′(x) = 3x2 + 3x − 6 = 3·(x2 + x − 2)
Resolver f′(x) = 0
x = −2 ou x = 1
Qual é qual
f″(x) = 6x + 3: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = −2
Resposta
x = −2
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 259
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 = |sin(π/2)| = 1
Resolver em ordem a n
n² > 8·1/(12·1 × 10⁻⁵) = 66667
n > 258,2 → n = 259
Resposta
n = 259
8.Métodos numéricos
Resposta: y4 = 2,992
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.