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
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = -1. Encontre y(0,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 10ymax​ = ?

Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 26y = 260 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.

y″ + 2y′ + 26y = 260y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
xy12,5y = x ln x

Calcule I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = 2x2​y = 2x

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

y = 2x2y = 2x
A =
5.DerivadasMédia
xyx = −1

Seja f(x) = (−2x + 5)5. Calcule f′(−1).

f(x) = (−2x + 5)5x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 2. Calcule a abcissa x do mínimo local.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 2
x =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,250,50,751

Aproxime ∫01 √x·e−x dx com a regra de Simpson usando n = 4 faixas. Dê S.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,510,51ty(0, 1)

Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = −2ty, y(0) = 1 para estimar y5 ≈ y(1,25).

y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,25
y5 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 3,495

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.

Raiz dupla

(r + 2)² = 0 → r = −2

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 10 = 9

Calcular

y(0,5) = (5 + 9·0,5)·e−1 = 3,495

Resposta

y(0,5) = 3,495
2.Equações diferenciais

Resposta: ymax = 15,33

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 = 10, r = −1 ± 5j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −2

Pico

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−1·π/5) = 15,33

Resposta

ymax = 15,33
3.Integrais

Resposta: I = 1,551

Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.

Escolha u e dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limites

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Resposta

I = 1,551
4.Integrais

Resposta: A = 0,3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Resposta

A = 0,3333
5.Derivadas

Resposta: f′(−1) = −24010

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 da cadeia

f′(x) = 5·(−2x + 5)4·(−2)

Substituir

f′(−1) = 5·74·(−2) = −24010

Resposta

f′(−1) = −24010
6.Derivadas

Resposta: x = 4

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 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

Resolver f′(x) = 0

x = 1 ou x = 4

Qual é qual

f″(x) = 6x − 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 4

Resposta

x = 4
7.Métodos numéricos

Resposta: S = 0,3683

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)peso000110,250,3894420,50,428882230,750,4090814410,3678791

Nós e valores

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,3894 + 2·0,428882 + 4·0,409081 + 0,367879 = 4,419571

Regra de Simpson

S = (0,25/3)·4,419571 = 0,3683

Resposta

S = 0,3683

Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.

8.Métodos numéricos

Resposta: y5 = 0,2051

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0010110,251−0,50,87520,50,875−0,8750,6562530,750,65625−0,9843750,410156410,410156−0,8203130,205078

Passos de Euler

y₁ = 1 + 0,25·(0) = 1
y₂ = 1 + 0,25·(−0,5) = 0,875
y₃ = 0,875 + 0,25·(−0,875) = 0,65625
y₄ = 0,65625 + 0,25·(−0,984375) = 0,410156
y₅ = 0,410156 + 0,25·(−0,820313) = 0,205078
00,510,51ty

Gráfico

y5 = 0,2051

Resposta

y5 = 0,2051

O valor exato é y(1,25) = 0,209611.

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