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 89 °C é deixada em uma sala a 18 °C. Após 27 min sua temperatura é 50 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 89 °CTa = 18 °CT(27) = 50 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 3y′ + 11,25y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,5); ângulos em radianos.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x em radianos).
∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(x), com x em radianos. Calcule f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 0,5x2 − 5x + 3 em x = −1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 0,5x2 − 5x + 3x = −1
b =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 2 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 12 s com a regra do trapézio.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,1 para y′ = e−ty, y(0) = 0 para estimar y4 ≈ y(0,4).
y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y4 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,02952 min⁻¹
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.
Razão das diferenças de temperatura
e−27k = 32/71
Resolver para k
k = ln(71/32)/27 = 0,02952 min⁻¹
Resposta
k = 0,02952 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 0,269
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 = −1,5 ± 3j
Constantes
A = 1, B = 1,5·1/3 = 0,5
Calcular
y(0,5) = e−0,75(1·cos 1,5 + 0,5·sin 1,5) = 0,269
Resposta
y(0,5) = 0,269
3.Integrais
Resposta: I = 1
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 = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limites
(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1
Resposta
I = 1
4.Integrais
Resposta: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Resposta
I = 37,59
5.Derivadas
Resposta: f′(2) = 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(x) + x·cos(x)
Substituir
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Resposta
f′(2) = 0,077
6.Derivadas
Resposta: b = 2,5
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(−1) = 8,5
f′(x) = x − 5 → f′(−1) = −6
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 8,5 − (−6)·(−1) = 2,5
Resposta
b = 2,5
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 140 m
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.
Soma ponderada
6 + 2·6 + 2·12 + 2·13 + 2·12 + 2·16 + 16 = 140
Regra do trapézio
s = (2/2)·140 = 140 m
Resposta
s = 140 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y4 = 0,3866
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.