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″ + 6y′ + 8y = 0 com y(0) = 4 e y′(0) = 0. Encontre y(0,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 0
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 100 L de água na qual estão dissolvidos 20 kg de sal. Salmoura com 0,25 kg de sal por litro entra a 4 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Quanto sal m há no tanque após 25 min?
V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀1 x·cos x dx (x em radianos).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (2x − 3)3. Calcule f′(1).
f(x) = (2x − 3)3x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 5. Calcule a abcissa x do máximo local.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 5
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 x³ 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) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,1 para y′ = e−ty, y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 2,402
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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 4, −2A − 4B = 0
A = 8, B = −4
Calcular
y(0,5) = 8·e−1 + (−4)·e−2 = 2,402
Resposta
y(0,5) = 2,402
2.Equações diferenciais
Resposta: m = 23,16 kg
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.
Montar a equação
dm/dt = 4·0,25 − (4/100)·m = 1 − 0,04·m
Resolva
O fator integrante é ert/V; a solução tende ao equilíbrio c·V.
m(t) = 25 + (−5)·e−t/25
Substituir t
m(25) = 25 + (−5)·0,3679 = 23,16 kg
Resposta
m = 23,16 kg
3.Integrais
Resposta: I = 0,3818
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Resposta
I = 0,3818
4.Integrais
Resposta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Resposta
A = 10,67
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = 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.
Regra da cadeia
f′(x) = 3·(2x − 3)2·2
Substituir
f′(1) = 3·(−1)2·2 = 6
Resposta
f′(1) = 6
6.Derivadas
Resposta: x = −4
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 = −4 ou x = −1
Qual é qual
f″(x) = 6x + 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−4) = −9, f″(−1) = 9
x = −4
Resposta
x = −4
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 127
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 = 6·2 = 12
Resolver em ordem a n
n² > 8·12/(12·0,0005) = 16000
n > 126,5 → n = 127
Resposta
n = 127
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 1,095
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.