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 peça de aço forjado a 420 °C é deixada esfriando em uma oficina a 26 °C. Após 59 min sua temperatura é 244 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 420 °CTa = 26 °CT(59) = 244 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 8y = 16 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 = 16y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀1 x·sin x dx (x em radianos).
∫₀1 x·sin x dx
I =
4.IntegraisDifícil
A região entre a reta y = 2x e a parábola y = 2x² gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido.
y = 2xy = 2x²
V =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x2·e−0,5x. Calcule f′(1,5).
f(x) = x2·e−0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 4,5x2 + 3. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 4,5x2 + 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫12 1/x dx com a regra do trapézio, n = 2, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,1 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,01003 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−59k = 218/394
Resolver para k
k = ln(394/218)/59 = 0,01003 min⁻¹
Resposta
k = 0,01003 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 2,086
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 = 2, r = −2 ± 2j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −2
Pico
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−2·π/2) = 2,086
Resposta
ymax = 2,086
3.Integrais
Resposta: I = 0,3012
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
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Resposta
I = 0,3012
4.Integrais
Resposta: V = 1,676
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
2x = 2x² → x = 0, x = 1
Método das arruelas
V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx
Integrar
V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676
Resposta
V = 1,676
5.Derivadas
Resposta: f′(1.5) = 0,8857
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−0,5x·(2x + (−0,5)·x2)
Substituir
f′(1,5) = 0,4724·(3 + (−1,125)) = 0,8857
Resposta
f′(1,5) = 0,8857
6.Derivadas
Resposta: x = 3
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 − 9x = 3·(x2 − 3x)
Resolver f′(x) = 0
x = 0 ou x = 3
Qual é qual
f″(x) = 6x − 9: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(0) = −9, f″(3) = 9
x = 3
Resposta
x = 3
7.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,01519
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.
Valor exato
I = 0,693147
Regra do trapézio
T = (0,5/2)·(1 + 2·0,666667 + 0,5) = 0,708333
Erro
|E| = |0,708333 − 0,693147| = 0,01519
Resposta
|E| = 0,01519
Erro relativo: 2,191%.
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 1,105
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.