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 peça de aço forjado a 300 °C é deixada esfriando em uma oficina a 30 °C. Após 17 min sua temperatura é 192 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 300 °CTa = 30 °CT(17) = 192 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 10y = 100 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,25); ângulos em radianos.
y″ + 2y′ + 10y = 100y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(x), com x em radianos. Calcule f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 3. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 3
x =
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′ = t + y, y(0) = −1 para estimar y3 ≈ y(0,3).
y′ = t + yy(0) = −1h = 0,1
y3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,03005 min⁻¹
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.
Razão das diferenças de temperatura
e−17k = 162/270
Resolver para k
k = ln(270/162)/17 = 0,03005 min⁻¹
Resposta
k = 0,03005 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.25) = 2,532
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.
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.
Escolha u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Resposta
I = 7,34
4.Integrais
Resposta: A = 42,67
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.
Pontos de interseção
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Integrar superior menos inferior
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Resposta
A = 42,67
5.Derivadas
Resposta: f′(2) = 0,077
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(x) + x·cos(x)
Substituir
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Resposta
f′(2) = 0,077
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 − 18x + 15 = 3·(x2 − 6x + 5)
Resolver f′(x) = 0
x = 1 ou x = 5
Qual é qual
f″(x) = 6x − 18: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(1) = −12, f″(5) = 12
x = 1
Resposta
x = 1
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 213,3 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
0 + 4·5 + 2·7 + 4·5 + 10 = 64
Regra de Simpson
s = (10/3)·64 = 213,3 m
Resposta
s = 213,3 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y3 = −1,3
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.