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)14Ta​T = ?

Uma peça de aço forjado a 460 °C é deixada esfriando em uma oficina a 25 °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 14 min.

T0 = 460 °CTa = 25 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 14 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Resolva y″ + 3y′ + 6,25y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1,5); ângulos em radianos.

y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraisMédia
xy13

Calcule I = ∫13 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
xy1y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
xyx = 2

Seja f(x) = ln(x2 + 4). Calcule f′(2).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 1

A reta tangente a f(x) = 2x2 − 5x em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.

f(x) = 2x2 − 5xx = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,51

Aproxime ∫01 sin x dx com a regra do trapézio, n = 2, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,510,51ty(0, 0,5)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5 para estimar y2 ≈ y(1).

y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y2 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: T = 241 °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) = 25 + 435·e−0,05t

Substituir t

T(14) = 25 + 435·0,4966 = 241 °C

Resposta

T = 241 °C
2.Equações diferenciais

Resposta: y(1.5) = −0,4659

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 = −1,5 ± 2j

Constantes

A = 5, B = 1,5·5/2 = 3,75

Calcular

y(1,5) = e−2,25(5·cos 3 + 3,75·sin 3) = −0,4659

Resposta

y(1,5) = −0,4659
3.Integrais

Resposta: I = 2,197

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) = 2·ln x

Avaliar nos limites

I = 2·(ln 3 − ln 1) = 2·ln 3 = 2,197

Resposta

I = 2,197
4.Integrais

Resposta: I = 0,7183

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

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Resposta

I = 0,7183
5.Derivadas

Resposta: f′(2) = 0,5

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) = 2x/(x2 + 4)

Substituir

f′(2) = 4/8 = 0,5

Resposta

f′(2) = 0,5
6.Derivadas

Resposta: b = −2

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) = −3
f′(x) = 4x − 5 → f′(1) = −1

Reta tangente em x = 0

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

Resposta

b = −2
7.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,009617

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.

Valor exato

I = 0,459698

Regra do trapézio

T = (0,5/2)·(0 + 2·0,479426 + 0,841471) = 0,450081

Erro

|E| = |0,450081 − 0,459698| = 0,009617

Resposta

|E| = 0,009617

Erro relativo: 2,092%.

8.Métodos numéricos

Resposta: y2 = 1,135

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₊₁000,510,6065310,90163310,50,9016330,6371080,2951751,134703

Passos de Heun

y₁ = 0,5 + (0,5/2)(1 + 0,606531) = 0,901633
y₂ = 0,901633 + (0,5/2)(0,637108 + 0,295175) = 1,134703
00,510,51ty

Gráfico

y2 = 1,135

Resposta

y2 = 1,135

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