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 92 °C é deixada em uma sala a 23 °C. Após 20 min sua temperatura é 54 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 92 °CTa = 23 °CT(20) = 54 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 5x2 para x > 0, com y(1) = 0. Encontre y(2).
y′ + y/x = 5x2y(1) = 0
y(2) =
3.IntegraisMédia
A região sob y = √(2x), de x = 0 até x = 1, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um paraboloide).
y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(x), com x em radianos. Calcule f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 4. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 4
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫12 1/x dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [1, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0005.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,0005
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = t² + y², y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,04001 min⁻¹
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.
Razão das diferenças de temperatura
e−20k = 31/69
Resolver para k
k = ln(69/31)/20 = 0,04001 min⁻¹
Resposta
k = 0,04001 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 9,375
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.
Fator integrante
μ = e∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C
Condição inicial
0 = 5/4 + C → C = −1,25
Calcular
y(2) = (5·24/4 + (−1,25))/21 = 9,375
Resposta
y(2) = 9,375
3.Integrais
Resposta: V = 3,142
Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.
Método dos discos
V = π∫₀1 2x dx
Integrar
V = π·2·1²/2 = 3,142
Resposta
V = 3,142
4.Integrais
Resposta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Resposta
A = 10,67
5.Derivadas
Resposta: f′(2) = 0,077
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.
Regras do produto e da cadeia
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Substituir
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Resposta
f′(2) = 0,077
6.Derivadas
Resposta: x = 6
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 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 ou x = 6
Qual é qual
f″(x) = 6x − 27: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 6
Resposta
x = 6
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 19
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.
Cota da segunda derivada
M = 2/1³ = 2
Resolver em ordem a n
n² > 1·2/(12·0,0005) = 333,3
n > 18,26 → n = 19
Resposta
n = 19
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 1,253
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.