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″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 2. Encontre y(2).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y′ + y = 10e−3t com y(0) = 5. Encontre y(0,5).
y′ + y = 10e−3ty(0) = 5
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x em radianos).
∫₀π/3 x·cos x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = x2 e y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(3x), com x em radianos. Calcule f′(1).
f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01 sin(x²) dx com a regra do trapézio usando n = 4 faixas. Dê T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,1 para y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 0,02082
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 + 5) = 0 → r = −3, −5
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 3, −3A − 5B = 2
A = 8,5, B = −5,5
Calcular
y(2) = 8,5·e−6 + (−5,5)·e−10 = 0,02082
Resposta
y(2) = 0,02082
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 4,95
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 = et
(ety)′ = 10e−2t
Solução geral
y = 10/(−2)·e−3t + C·e−t = −5·e−3t + C·e−t
Condição inicial
5 = −5 + C → C = 10
Calcular
y(0,5) = −5·0,2231 + 10·0,6065 = 4,95
Resposta
y(0,5) = 4,95
3.Integrais
Resposta: I = 0,4069
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069
Resposta
I = 0,4069
4.Integrais
Resposta: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Resposta
A = 1,333
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = −2,829
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(3x) + 3x·cos(3x)
Substituir
f′(1) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Resposta
f′(1) = −2,829
6.Derivadas
Resposta: x = 3
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 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 ou x = 5
Qual é qual
f″(x) = 6x − 24: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 3
Resposta
x = 3
7.Métodos numéricos
Resposta: T = 0,316
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: y1 = 0,5267
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.