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″ + 2y′ + y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = -1. Encontre y(0,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 8y = 80 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′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
A região sob y = √(x), de x = 0 até x = 3, gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido (um paraboloide).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraisDifícil
A região entre a reta y = 6x e a parábola y = 3x² gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido.
y = 6xy = 3x²
V =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (−2x − 1)3. Calcule f′(−1).
f(x) = (−2x − 1)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 6. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 6
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫01 sin x dx com a regra do trapézio, n = 4, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(0.5) = 1,516
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.
Raiz dupla
(r + 1)² = 0 → r = −1
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = -1 + 2 = 1
Calcular
y(0,5) = (2 + 1·0,5)·e−0,5 = 1,516
Resposta
y(0,5) = 1,516
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 10,43
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 = 10, r = −2 ± 2j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −10
Pico
t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43
Resposta
ymax = 10,43
3.Integrais
Resposta: V = 14,14
Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.
Método dos discos
V = π∫₀3 x dx
Integrar
V = π·1·3²/2 = 14,14
Resposta
V = 14,14
4.Integrais
Resposta: V = 120,6
Volumes de revolução: girar a região sob y = f(x), de x = a até x = b, em torno do eixo x gera um sólido cuja seção transversal em x é um disco de raio f(x). Somar os discos dá V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando a região fica entre uma curva externa R(x) e uma curva interna r(x), cada fatia é uma arruela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleve os raios ao quadrado antes de subtraí-los.
Pontos de interseção
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Método das arruelas
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Resposta
V = 120,6
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 − 1)2·(−2)
Substituir
f′(−1) = 3·12·(−2) = −6
Resposta
f′(−1) = −6
6.Derivadas
Resposta: x = −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.
Derivada
f′(x) = 3x2 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)
Resolver f′(x) = 0
x = −4 ou x = −2
Qual é qual
f″(x) = 6x + 18: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −2
Resposta
x = −2
7.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,002397
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.
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.