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
t (min)T (°C)48Ta​T = ?

Uma peça de aço forjado a 460 °C é deixada esfriando em uma oficina a 22 °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 48 min.

T0 = 460 °CTa = 22 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 48 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 1y(0,75) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 29y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.

y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraisMédia
xy02

Calcule I = ∫02 ex dx.

f(x) = ex[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = x2​y = 2x

Calcule a área A da região limitada por y = x2 e y = 2x.

y = x2y = 2x
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 0

Seja f(x) = (3x − 1)4. Calcule f′(0).

f(x) = (3x − 1)4x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x + 2. Calcule a abcissa x do mínimo local.

f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x + 2
x =
7.Métodos numéricosMédia
xy00,33330,666711,3331,6672

Aproxime ∫02 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 6 faixas. Dê T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,624ty(0, 1)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,25 para y′ = t² + y², y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,75).

y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,25
y3 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: T = 61,73 °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) = 22 + 438·e−0,05t

Substituir t

T(48) = 22 + 438·0,09072 = 61,73 °C

Resposta

T = 61,73 °C
2.Equações diferenciais

Resposta: y(0.75) = −0,2341

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 = −2 ± 5j

Constantes

A = 1, B = 2·1/5 = 0,4

Calcular

y(0,75) = e−1,5(1·cos 3,75 + 0,4·sin 3,75) = −0,2341

Resposta

y(0,75) = −0,2341
3.Integrais

Resposta: I = 6,389

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) = ex/1

Avaliar nos limites

I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

Resposta

I = 6,389
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.

Pontos de interseção

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Resposta

A = 1,333
5.Derivadas

Resposta: f′(0) = −12

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) = 4·(3x − 1)3·3

Substituir

f′(0) = 4·(−1)3·3 = −12

Resposta

f′(0) = −12
6.Derivadas

Resposta: x = 6

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 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)

Resolver f′(x) = 0

x = 3 ou x = 6

Qual é qual

f″(x) = 6x − 27: negativa num máximo, positiva num mínimo.

f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 6

Resposta

x = 6
7.Métodos numéricos

Resposta: T = 0,8814

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)peso001110,3333330,894839220,6666670,641182310,367879241,3333330,169013251,6666670,06217652620,01831561

Nós e valores

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,894839 + 2·0,64118 + 2·0,367879 + 2·0,169013 + 2·0,0621765 + 0,0183156 = 5,288494

Regra do trapézio

T = (0,3333/2)·5,288494 = 0,8814

Resposta

T = 0,8814

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

8.Métodos numéricos

Resposta: y3 = 3,731

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00111,6251,32812510,251,3281251,8264163,4352581,98583420,51,9858344,1935379,7689823,731149

Passos de Heun

y₁ = 1 + (0,25/2)(1 + 1,625) = 1,328125
y₂ = 1,328125 + (0,25/2)(1,826416 + 3,435258) = 1,985834
y₃ = 1,985834 + (0,25/2)(4,193537 + 9,768982) = 3,731149
00,20,40,624ty

Gráfico

y3 = 3,731

Resposta

y3 = 3,731

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