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) = 3y(0,5) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 5y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 1. Encontre y(0,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 5ymax​ = ?

Um sistema obedece a y″ + y′ + 4,25y = 21,25 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.

y″ + y′ + 4,25y = 21,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
xy1y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
xyx = 1

Seja f(x) = x·sin(2x), com x em radianos. Calcule f′(1).

f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 2

A reta tangente a f(x) = 0,5x2 + 5x em x = 2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.

f(x) = 0,5x2 + 5xx = 2
b =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,511,52

Aproxime ∫02 √(1 + x³) dx com a regra de Simpson usando n = 4 faixas. Dê S.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,5111,5ty(0, 1)

Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = e−ty, y(0) = 1 para estimar y5 ≈ y(1,25).

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,25
y5 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 2,344

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 características

(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5

Constantes a partir dos valores iniciais

A + B = 3, −1A − 5B = 1
A = 4, B = −1

Calcular

y(0,5) = 4·e−0,5 + (−1)·e−2,5 = 2,344

Resposta

y(0,5) = 2,344
2.Equações diferenciais

Resposta: ymax = 7,28

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.

Valor estacionário e raízes

yss = 5, r = −0,5 ± 2j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −1,25

Pico

t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/2) = 7,28

Resposta

ymax = 7,28
3.Integrais

Resposta: I = 3,437

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) = e0,5x/0,5

Avaliar nos limites

I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437

Resposta

I = 3,437
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′(1) = 0,077

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′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077

Resposta

f′(1) = 0,077
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(2) = 12
f′(x) = x + 5 → f′(2) = 7

Reta tangente em x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 7·2 = −2

Resposta

b = −2
7.Métodos numéricos

Resposta: S = 3,24

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,51,060664211,414214231,52,0916544231

Nós e valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 2·1,414214 + 4·2,09165 + 3 = 19,437668

Regra de Simpson

S = (0,5/3)·19,437668 = 3,24

Resposta

S = 3,24

Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.

8.Métodos numéricos

Resposta: y5 = 1,682

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₊₁00111,2510,251,250,7316161,43290420,51,4329040,4884821,55502430,751,5550240,3115271,632906411,6329060,1953611,681747

Passos de Euler

y₁ = 1 + 0,25·(1) = 1,25
y₂ = 1,25 + 0,25·(0,731616) = 1,432904
y₃ = 1,432904 + 0,25·(0,488482) = 1,555024
y₄ = 1,555024 + 0,25·(0,311527) = 1,632906
y₅ = 1,632906 + 0,25·(0,195361) = 1,681747
00,5111,5ty

Gráfico

y5 = 1,682

Resposta

y5 = 1,682

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