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 peça de aço forjado a 300 °C é deixada esfriando em uma oficina a 27 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,05 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 55 min.
T0 = 300 °CTa = 27 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 55 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 8y = 16 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(1); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 8y = 16y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫13 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(2x2 + 1). Calcule f′(1).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 3. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01,5 √(1 + x³) dx com a regra de Simpson usando n = 4 faixas. Dê S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = y − t², y(0) = −1 com o método de Euler e passo h = 0,25 até t = 1,25. A solução exata é y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Encontre o erro global |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = y − t²y(0) = −1h = 0,25
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 44,45 °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) = 27 + 273·e−0,05t
Substituir t
T(55) = 27 + 273·0,06393 = 44,45 °C
Resposta
T = 44,45 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(1) = 1,867
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 = 2, r = −2 ± 2j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −2
Calcular
y(1) = 2·(1 − e−2(cos 2 + 1·sin 2)) = 1,867
Resposta
y(1) = 1,867
3.Integrais
Resposta: I = 1,099
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) = ln x
Avaliar nos limites
I = (ln 3 − ln 1) = ln 3 = 1,099
Resposta
I = 1,099
4.Integrais
Resposta: I = 0,0609
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.
Primeira rodada
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda rodada
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Resposta
I = 0,0609
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = 1,333
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 para o logaritmo
f′(x) = 4x/(2x2 + 1)
Substituir
f′(1) = 4/3 = 1,333
Resposta
f′(1) = 1,333
6.Derivadas
Resposta: x = 1
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Resolver f′(x) = 0
x = −3 ou x = 1
Qual é qual
f″(x) = 6x + 6: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1
Resposta
x = 1
7.Métodos numéricos
Resposta: S = 1,976
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.
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,8028
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.
Passos de Euler
y5 = −3,605713
Valor exato
y(1,25) = −4,408529
Erro global
|E| = |−4,408529 + 3,605713| = 0,8028
Gráfico
Resposta
|E| = 0,8028
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.