Equações Diferenciais: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Equações diferenciais

Crescimento/decaimento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Meia-vida
k = ln 2 / t½
Lei de resfriamento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fator integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tanque de mistura
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrais

Regra da potência
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrais comuns
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
  2. Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
  3. Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
  4. Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).

Derivadas

Regra da potência
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regra do produto
(uv)′ = u′v + uv′
Regra do quociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regra da cadeia
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas comuns
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifique a estrutura: soma, produto, quociente ou composição.
  2. Aplique a regra da potência a cada potência de x.
  3. Use a regra do produto, do quociente ou da cadeia quando necessário.
  4. Simplifique e, se pedido, calcule o valor no ponto.

Métodos numéricos

Bissecção
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolação linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regra do trapézio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regra de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota do erro do trapézio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. 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.
  2. Para um valor de tabela: interpole linearmente entre os dois pontos vizinhos.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)6Ta​56 °C30 °C

Uma xícara de café a 95 °C é deixada em uma sala a 19 °C. Após 6 min sua temperatura é 56 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 30 °C?

T0 = 95 °CTa = 19 °CT(6) = 56 °CT = 30 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 5y(1) = ?

Resolva y″ + 3y′ + 6,25y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraisMédia
xy12

Calcule I = ∫12 1/x dx.

f(x) = 1/x[1, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = 0,5x2​y = x

Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 1

Seja f(x) = x3·e−x. Calcule f′(1).

f(x) = x3·e−xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 6. Calcule a abcissa x do máximo local.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 6
x =
7.Métodos numéricosMédia
xy123

Aproxime ∫13 1/x dx com a regra do trapézio, n = 2, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
01200,51ty(0, 1)

Resolva y′ = −2ty, y(0) = 1 com o método de Euler e passo h = 0,5 até t = 2,5. A solução exata é y = y₀e−t². Encontre o erro global |E| = |y(2,5) − y5|.

y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,5
|E| =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: t = 16,11 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(76/37)/6 = 0,12 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(76/11)/0,12 = 16,11 min

Resposta

t = 16,11 min
2.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 0,2966

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 = −1,5 ± 2j

Constantes

A = 5, B = 1,5·5/2 = 3,75

Calcular

y(1) = e−1,5(5·cos 2 + 3,75·sin 2) = 0,2966

Resposta

y(1) = 0,2966
3.Integrais

Resposta: I = 0,6931

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) = ln x

Avaliar nos limites

I = (ln 2 − ln 1) = ln 2 = 0,6931

Resposta

I = 0,6931
4.Integrais

Resposta: A = 0,6667

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 = x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Resposta

A = 0,6667
5.Derivadas

Resposta: f′(1) = 0,7358

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 do produto

f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)

Substituir

f′(1) = 0,3679·(3 + (−1)) = 0,7358

Resposta

f′(1) = 0,7358
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 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

Resolver f′(x) = 0

x = 1 ou x = 4

Qual é qual

f″(x) = 6x − 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1

Resposta

x = 1
7.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,06805

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.

Valor exato

I = 1,098612

Regra do trapézio

T = (1/2)·(1 + 2·0,5 + 0,333333) = 1,166667

Erro

|E| = |1,166667 − 1,098612| = 0,06805

Resposta

|E| = 0,06805

Erro relativo: 6,195%.

8.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,00193

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0010110,51−10,5210,5−1031,500042000

Passos de Euler

y5 = 0

Valor exato

y(2,5) = 0,00193045

Erro global

|E| = |0,00193045 − 0| = 0,00193
01200,51ty

Gráfico

Resposta

|E| = 0,00193

Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.

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