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
Resolva y″ + 5y′ + 6y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 2. Encontre y(1,5).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 500 L de água na qual estão dissolvidos 5 kg de sal. Salmoura com 0,25 kg de sal por litro entra a 5 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 50 min?
V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x em radianos).
∫₀π/3 x·sin x dx
I =
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) = ln(x2 + 4). Calcule f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 2x2 − 4x − 2 em x = −2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 2x2 − 4x − 2x = −2
b =
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
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,1 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,3316
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 características
(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 2, −2A − 3B = 2
A = 8, B = −6
Calcular
y(1,5) = 8·e−3 + (−6)·e−4,5 = 0,3316
Resposta
y(1,5) = 0,3316
2.Equações diferenciais
Resposta: m = 52,22 kg
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.
Montar a equação
dm/dt = 5·0,25 − (5/500)·m = 1,25 − 0,01·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.
m(t) = 125 + (−120)·e−t/100
Substituir t
m(50) = 125 + (−120)·0,6065 = 52,22 kg
Resposta
m = 52,22 kg
3.Integrais
Resposta: I = 0,3424
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limites
(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424
Resposta
I = 0,3424
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′(−2) = −0,5
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 para o logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 4)
Substituir
f′(−2) = −4/8 = −0,5
Resposta
f′(−2) = −0,5
6.Derivadas
Resposta: b = −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.
Ponto e declive
f(−2) = 14
f′(x) = 4x − 4 → f′(−2) = −12
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 14 − (−12)·(−2) = −10
Resposta
b = −10
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: y1 = 0,6028
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.