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
Resolva y″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = -1. Encontre y(1,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(1.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 2x2 para x > 0, com y(1) = −2. Encontre y(3).
y′ + y/x = 2x2y(1) = −2
y(3) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 1 − x² e o eixo x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(2x), com x em radianos. Calcule f′(0,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 3. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 5 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 30 s com a regra de Simpson.
h = 5 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,5 para y′ = cos t − y, y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,5).
y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,3236
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 4 = 3
Calcular
y(1,5) = (2 + 3·1,5)·e−3 = 0,3236
Resposta
y(1,5) = 0,3236
2.Equações diferenciais
Resposta: y(3) = 12,67
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∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 2x3 → x1y = 2x4/4 + C
Condição inicial
−2 = 2/4 + C → C = −2,5
Calcular
y(3) = (2·34/4 + (−2,5))/31 = 12,67
Resposta
y(3) = 12,67
3.Integrais
Resposta: I = 156
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 u3 du
Integrar e avaliar
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Resposta
I = 156
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) = 1,382
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.
Regras do produto e da cadeia
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Substituir
f′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Resposta
f′(0,5) = 1,382
6.Derivadas
Resposta: x = 1
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 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)
Resolver f′(x) = 0
x = 1 ou x = 4
Qual é qual
f″(x) = 6x − 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 1
Resposta
x = 1
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 305 m
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.
Soma ponderada
4 + 4·5 + 2·11 + 4·11 + 2·10 + 4·15 + 13 = 183
Regra de Simpson
s = (5/3)·183 = 305 m
Resposta
s = 305 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,9817
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.