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) = 3y(2) = ?

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
ty0,5y(0,5) = ?

Resolva y′ + y = 10e−3t com y(0) = 5. Encontre y(0,5).

y′ + y = 10e−3ty(0) = 5
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
xyπ/3y = x·cos x

Calcule I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x em radianos).

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = x2​y = 2x

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

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

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
xy

Seja f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3. Calcule a abcissa x do máximo local.

f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,250,50,751

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
00,050,10,50,510,520,53ty(0, 0,5)

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.

ixᵢf(xᵢ)peso000110,250,0624593220,50,247404230,750,5333032410,8414711

Nós e valores

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,0624593 + 2·0,247404 + 2·0,533303 + 0,841471 = 2,527803

Regra do trapézio

T = (0,25/2)·2,527803 = 0,316

Resposta

T = 0,316

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.

Quatro inclinações

k₁ = f(0, 0,5) = 0,25
k₂ = f(0,05, 0,5125) = 0,265156
k₃ = f(0,05, 0,513258) = 0,265934
k₄ = f(0,1, 0,526593) = 0,287301

Combine

y₁ = 0,5 + (0,1/6)(0,25 + 2·0,265156 + 2·0,265934 + 0,287301) = 0,5267

Resposta

y1 = 0,5267

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