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
t (min)T (°C)22Ta​26 °C61 °C

Uma xícara de café a 85 °C é deixada em uma sala a 22 °C. Após 22 min sua temperatura é 26 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 61 °C?

T0 = 85 °CTa = 22 °CT(22) = 26 °CT = 61 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
ty0,5y(0,5) = ?

Resolva y′ + 0,5y = 3e−t com y(0) = 2. Encontre y(0,5).

y′ + 0,5y = 3e−ty(0) = 2
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 ex dx.

f(x) = ex[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
xy2y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
xyx = 1

Seja f(x) = x2·e0,5x. Calcule f′(1).

f(x) = x2·e0,5xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 3x2 − 9x + 4. Calcule a abcissa x do mínimo local.

f(x) = x3 − 3x2 − 9x + 4
x =
7.Métodos numéricosMédia

A regra do trapézio é usada para ∫02 sin x dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0001.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,60,60,81ty(0, 1)

Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = −2ty, y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,75).

y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,25
y3 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: t = 3,827 min

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.

Constante de resfriamento

k = ln(63/4)/22 = 0,1253 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(63/39)/0,1253 = 3,827 min

Resposta

t = 3,827 min
2.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 2,591

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 3e−0,5t

Solução geral

y = 3/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −6·e−t + C·e−0,5t

Condição inicial

2 = −6 + C → C = 8

Calcular

y(0,5) = −6·0,6065 + 8·0,7788 = 2,591

Resposta

y(0,5) = 2,591
3.Integrais

Resposta: I = 6,389

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) = ex/1

Avaliar nos limites

I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

Resposta

I = 6,389
4.Integrais

Resposta: I = 12,78

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

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Resposta

I = 12,78
5.Derivadas

Resposta: f′(1) = 4,122

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′ = e0,5x·(2x + 0,5·x2)

Substituir

f′(1) = 1,649·(2 + 0,5) = 4,122

Resposta

f′(1) = 4,122
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 − 6x − 9 = 3·(x2 − 2x − 3)

Resolver f′(x) = 0

x = −1 ou x = 3

Qual é qual

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

f″(−1) = −12, f″(3) = 12
x = 3

Resposta

x = 3
7.Métodos numéricos

Resposta: n = 82

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.

Cota da segunda derivada

M = |sin(π/2)| = 1

Resolver em ordem a n

n² > 8·1/(12·0,0001) = 6667
n > 81,65 → n = 82

Resposta

n = 82
8.Métodos numéricos

Resposta: y3 = 0,6563

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₊₁0010110,251−0,50,87520,50,875−0,8750,65625

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
00,20,40,60,60,81ty

Gráfico

y3 = 0,6563

Resposta

y3 = 0,6563

O valor exato é y(0,75) = 0,569783.

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