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 340 °C é deixada esfriando em uma oficina a 21 °C. Após 23 min sua temperatura é 122 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 340 °CTa = 21 °CT(23) = 122 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 29y = 290 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(1,5); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 29y = 290y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraisMédia
A região sob y = 0,5x, de x = 0 até x = 4, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 9 − x² e o eixo x.
y = 9 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (2x + 1)5. Calcule f′(−1).
f(x) = (2x + 1)5x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 2. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 2
x =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 2 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 12 s com a regra de Simpson.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5 para estimar y2 ≈ y(1).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y2 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,05 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−23k = 101/319
Resolver para k
k = ln(319/101)/23 = 0,05 min⁻¹
Resposta
k = 0,05 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 9,641
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.
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∫₀4 0,25x² dx
Integrar
V = π·0,25·4³/3 = 16,76
Resposta
V = 16,76
Verificação: um cone de raio 2 e altura 4 tem (1/3)πr²h = 16,76.
4.Integrais
Resposta: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrar
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Resposta
A = 36
5.Derivadas
Resposta: f′(−1) = 10
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) = 5·(2x + 1)4·2
Substituir
f′(−1) = 5·(−1)4·2 = 10
Resposta
f′(−1) = 10
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 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)
Resolver f′(x) = 0
x = 1 ou x = 2
Qual é qual
f″(x) = 6x − 9: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 1
Resposta
x = 1
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 188,7 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
9 + 4·15 + 2·14 + 4·13 + 2·15 + 4·21 + 20 = 283
Regra de Simpson
s = (2/3)·283 = 188,7 m
Resposta
s = 188,7 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y2 = 1,135
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.