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 420 °C é deixada esfriando em uma oficina a 25 °C. Após 49 min sua temperatura é 173 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 297 °C?
T0 = 420 °CTa = 25 °CT(49) = 173 °CT = 297 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 26y = 260 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(0,5); ângulos em radianos.
y″ + 2y′ + 26y = 260y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
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 + 6x2 + 9x − 5. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 + 6x2 + 9x − 5
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 eˣ dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0005.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = −0,5y, y(0) = 0,5 com o método de Euler e passo h = 0,25 até t = 0,75. A solução exata é y = y₀e−0,5t. Encontre o erro global |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = −0,5yy(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 18,62 min
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.
Constante de resfriamento
k = ln(395/148)/49 = 0,02003 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(395/272)/0,02003 = 18,62 min
Resposta
t = 18,62 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 14,13
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.
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.
Escolha u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Resposta
I = 1,551
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 + 12x + 9 = 3·(x2 + 4x + 3)
Resolver f′(x) = 0
x = −3 ou x = −1
Qual é qual
f″(x) = 6x + 12: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−3) = −6, f″(−1) = 6
x = −1
Resposta
x = −1
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 100
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.
Cota da segunda derivada
M = e2 = 7,389
Resolver em ordem a n
n² > 8·7,389/(12·0,0005) = 9852
n > 99,26 → n = 100
Resposta
n = 100
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,008684
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.
Passos de Euler
y3 = 0,334961
Valor exato
y(0,75) = 0,343645
Erro global
|E| = |0,343645 − 0,334961| = 0,008684
Gráfico
Resposta
|E| = 0,008684
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.