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″ + 7y′ + 12y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = -4. Encontre y(0,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + y′ + 16,25y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,5); ângulos em radianos.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
A região sob y = 3x, de x = 0 até x = 1, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).
y = 3x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x3·ex. Calcule f′(1).
f(x) = x3·exx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 5. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 5
x =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 2 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 10 s com a regra do trapézio.
h = 2 sn = 5
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,5 para y′ = cos t − y, y(0) = 2 para estimar y3 ≈ y(1,5).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,5
y3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 0,6219
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 2, −3A − 4B = -4
A = 4, B = −2
Calcular
y(0,5) = 4·e−1,5 + (−2)·e−2 = 0,6219
Resposta
y(0,5) = 0,6219
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = −1,178
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 complexas
r = −0,5 ± 4j
Constantes
A = 5, B = 0,5·5/4 = 0,625
Calcular
y(0,5) = e−0,25(5·cos 2 + 0,625·sin 2) = −1,178
Resposta
y(0,5) = −1,178
3.Integrais
Resposta: V = 9,425
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 9x² dx
Integrar
V = π·9·1³/3 = 9,425
Resposta
V = 9,425
Verificação: um cone de raio 3 e altura 1 tem (1/3)πr²h = 9,425.
4.Integrais
Resposta: A = 5,333
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
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Resposta
A = 5,333
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = 10,87
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′ = ex·(3x2 + 1·x3)
Substituir
f′(1) = 2,718·(3 + 1) = 10,87
Resposta
f′(1) = 10,87
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 = 55 m
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.
Soma ponderada
3 + 2·4 + 2·6 + 2·4 + 2·8 + 8 = 55
Regra do trapézio
s = (2/2)·55 = 55 m
Resposta
s = 55 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y3 = 0,861
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.