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)25Ta​T = ?

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
tyK = 1y(0,25) = ?

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
xy13

Calcule I = ∫13 4/x dx.

f(x) = 4/x[1, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = 2x2​y = 4x

Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 4x.

y = 2x2y = 4x
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 2

Seja f(x) = x3·e0,5x. Calcule f′(2).

f(x) = x3·e0,5xx = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 2. Calcule a abcissa x do máximo local.

f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 2
x =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,3750,751,1251,5

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
00,20,411,21,4ty(0, 1)

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.

Valor estacionário e raízes

yss = 1, r = −2 ± 4j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −0,5

Calcular

y(0,25) = 1·(1 − e−0,5(cos 1 + 0,5·sin 1)) = 0,4171

Resposta

y(0,25) = 0,4171
3.Integrais

Resposta: I = 4,394

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,3750,990257420,750,871576231,1250,619958441,50,4061381

Nós e valores

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,990257 + 2·0,871576 + 4·0,619958 + 0,406138 = 9,590149

Regra de Simpson

S = (0,375/3)·9,590149 = 1,199

Resposta

S = 1,199

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.

Quatro inclinações

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0,25, 1,25) = 0,731616
k₃ = f(0,25, 1,182904) = 0,743991
k₄ = f(0,5, 1,371996) = 0,503587

Combine

y₁ = 1 + (0,5/6)(1 + 2·0,731616 + 2·0,743991 + 0,503587) = 1,371

Resposta

y1 = 1,371

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