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 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
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
Calcule I = ∫12 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x3·e−x. Calcule f′(1).
f(x) = x3·e−xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.
Passos de Euler
y5 = 0
Valor exato
y(2,5) = 0,00193045
Erro global
|E| = |0,00193045 − 0| = 0,00193
Gráfico
Resposta
|E| = 0,00193
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.