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
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
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
Calcule I = ∫13 2/x dx.
f(x) = 2/x[1, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(x2 + 4). Calcule f′(2).
f(x) = ln(x2 + 4)x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.