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 80 °C é deixada em uma sala a 22 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,08 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 25 min.
T0 = 80 °CTa = 22 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 25 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 20y = 20 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,25); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 20y = 20y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫13 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x3·e0,5x. Calcule f′(2).
f(x) = x3·e0,5xx = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 2. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 2
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx com a regra de Simpson usando n = 4 faixas. Dê S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 29,85 °C
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.
Solução da lei de resfriamento
T(t) = 22 + 58·e−0,08t
Substituir t
T(25) = 22 + 58·0,1353 = 29,85 °C
Resposta
T = 29,85 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.25) = 0,4171
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.
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) = 4·ln x
Avaliar nos limites
I = 4·(ln 3 − ln 1) = 4·ln 3 = 4,394
Resposta
I = 4,394
4.Integrais
Resposta: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Resposta
A = 2,667
5.Derivadas
Resposta: f′(2) = 43,49
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′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)
Substituir
f′(2) = 2,718·(12 + 4) = 43,49
Resposta
f′(2) = 43,49
6.Derivadas
Resposta: x = 2
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 + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Resolver f′(x) = 0
x = 2 ou x = 4
Qual é qual
f″(x) = 6x − 18: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Resposta
x = 2
7.Métodos numéricos
Resposta: S = 1,199
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.
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 1,371
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.