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 xícara de café a 80 °C é deixada em uma sala a 22 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,1 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 21 min.
T0 = 80 °CTa = 22 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 21 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 29y = 29 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.
y″ + 4y′ + 29y = 29y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
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) = x3·e−x. Calcule f′(1,5).
f(x) = x3·e−xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 2x2 + 4x − 6 em x = 3 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 2x2 + 4x − 6x = 3
b =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 4 faixas. Dê T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,5 para y′ = t² + y², y(0) = 0. Encontre y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0,5
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 29,1 °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 + 58·e−0,1t
Substituir t
T(21) = 22 + 58·0,1225 = 29,1 °C
Resposta
T = 29,1 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 1,285
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 = 1, r = −2 ± 5j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −0,4
Pico
t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−2·π/5) = 1,285
Resposta
ymax = 1,285
3.Integrais
Resposta: I = 1,551
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′(1.5) = 0,7531
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 do produto
f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)
Substituir
f′(1,5) = 0,2231·(6,75 + (−3,375)) = 0,7531
Resposta
f′(1,5) = 0,7531
6.Derivadas
Resposta: b = −24
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(3) = 24
f′(x) = 4x + 4 → f′(3) = 16
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 24 − 16·3 = −24
Resposta
b = −24
7.Métodos numéricos
Resposta: T = 0,743
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.
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,04179
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.