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)20Ta​54 °C

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
xy12(1, 0)y(2) = ?

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
xy1y = √(2x)

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
xy−22

Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.

y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 2

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
xy

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
00,050,10,150,211,11,21,3ty(0, 1)

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.

Quatro inclinações

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0,1, 1,1) = 1,22
k₃ = f(0,1, 1,122) = 1,268884
k₄ = f(0,2, 1,253777) = 1,611956

Combine

y₁ = 1 + (0,2/6)(1 + 2·1,22 + 2·1,268884 + 1,611956) = 1,253

Resposta

y1 = 1,253

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