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(1) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 16y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 4. Encontre y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, 5)y(2) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = x2 para x > 0, com y(1) = 5. Encontre y(2).

y′ + 2y/x = x2y(1) = 5
y(2) =
3.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
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 = 1

Seja f(x) = (3x + 1)3. Calcule f′(1).

f(x) = (3x + 1)3x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 1

A reta tangente a f(x) = 0,5x2 − 3x − 6 em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.

f(x) = 0,5x2 − 3x − 6x = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,51

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

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
01212ty(0, 2)

Use o método de Euler com h = 0,5 para y′ = −0,5y, y(0) = 2 para estimar y5 ≈ y(2,5).

y′ = −0,5yy(0) = 2h = 0,5
y5 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 0,5312

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 + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 20 = 24

Calcular

y(1) = (5 + 24·1)·e−4 = 0,5312

Resposta

y(1) = 0,5312
2.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 2,8

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 = e∫2/x dx = x2

Integrar

(x2y)′ = x4 → x2y = 1x5/5 + C

Condição inicial

5 = 1/5 + C → C = 4,8

Calcular

y(2) = (1·25/5 + 4,8)/22 = 2,8

Resposta

y(2) = 2,8
3.Integrais

Resposta: I = 12

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.

Substituição

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du

Integrar e avaliar

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

Resposta

I = 12
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′(1) = 144

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

f′(x) = 3·(3x + 1)2·3

Substituir

f′(1) = 3·42·3 = 144

Resposta

f′(1) = 144
6.Derivadas

Resposta: b = −6,5

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.

Ponto e declive

f(1) = −8,5
f′(x) = x − 3 → f′(1) = −2

Reta tangente em x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8,5 − (−2)·1 = −6,5

Resposta

b = −6,5
7.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,0001645

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 de Simpson

S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862

Erro

|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645

Resposta

|E| = 0,0001645

Erro relativo: 0,03578%.

8.Métodos numéricos

Resposta: y5 = 0,4746

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₊₁002−11,510,51,5−0,751,125211,125−0,56250,8437531,50,84375−0,4218750,632813420,632813−0,3164060,474609

Passos de Euler

y₁ = 2 + 0,5·(−1) = 1,5
y₂ = 1,5 + 0,5·(−0,75) = 1,125
y₃ = 1,125 + 0,5·(−0,5625) = 0,84375
y₄ = 0,84375 + 0,5·(−0,421875) = 0,632813
y₅ = 0,632813 + 0,5·(−0,316406) = 0,474609
01212ty

Gráfico

y5 = 0,4746

Resposta

y5 = 0,4746

O valor exato é y(2,5) = 0,57301.

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