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(2) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 1. Encontre y(2).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 3y(0,75) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 20y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraisMédia
xy4y = 2x

A região sob y = 2x, de x = 0 até x = 4, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um cone).

y = 2x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntegraisDifícil
xy−11

Calcule a área A da região entre a parábola y = 1 − x² e o eixo x.

y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 0,5

Seja f(x) = x2·e−x. Calcule f′(0,5).

f(x) = x2·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 1

A reta tangente a f(x) = −x2 + 2 em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.

f(x) = −x2 + 2x = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,511,52

Aproxime ∫02 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 4 faixas. Dê T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 4
T =
8.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,60,8ty(0, 0,5)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,1 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,3).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,1
y3 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 0,09171

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 + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 15 = 16

Calcular

y(2) = (5 + 16·2)·e−6 = 0,09171

Resposta

y(2) = 0,09171
2.Equações diferenciais

Resposta: y(0.75) = −0,6155

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 complexas

r = −2 ± 4j

Constantes

A = 3, B = 2·3/4 = 1,5

Calcular

y(0,75) = e−1,5(3·cos 3 + 1,5·sin 3) = −0,6155

Resposta

y(0,75) = −0,6155
3.Integrais

Resposta: V = 268,1

Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.

Método dos discos

V = π∫₀4 4x² dx

Integrar

V = π·4·4³/3 = 268,1

Resposta

V = 268,1

Verificação: um cone de raio 8 e altura 4 tem (1/3)πr²h = 268,1.

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.

Zeros

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Resposta

A = 1,333
5.Derivadas

Resposta: f′(0.5) = 0,4549

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′ = e−x·(2x + (−1)·x2)

Substituir

f′(0,5) = 0,6065·(1 + (−0,25)) = 0,4549

Resposta

f′(0,5) = 0,4549
6.Derivadas

Resposta: b = 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.

Ponto e declive

f(1) = 1
f′(x) = −2x → f′(1) = −2

Reta tangente em x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−2)·1 = 3

Resposta

b = 3
7.Métodos numéricos

Resposta: T = 0,8806

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)peso001110,50,7788012210,367879231,50,1053992420,01831561

Nós e valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,778801 + 2·0,367879 + 2·0,105399 + 0,0183156 = 3,522475

Regra do trapézio

T = (0,5/2)·3,522475 = 0,8806

Resposta

T = 0,8806

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

8.Métodos numéricos

Resposta: y3 = 0,8325

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000,511,0599640,60299810,10,6029981,0602631,141330,71307820,20,7130781,1421331,2456470,832467

Passos de Heun

y₁ = 0,5 + (0,1/2)(1 + 1,059964) = 0,602998
y₂ = 0,602998 + (0,1/2)(1,060263 + 1,14133) = 0,713078
y₃ = 0,713078 + (0,1/2)(1,142133 + 1,245647) = 0,832467
00,10,20,30,60,8ty

Gráfico

y3 = 0,8325

Resposta

y3 = 0,8325

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