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″ + 7y′ + 12y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = -4. Encontre y(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 2y′(0) = -4
y(1.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Um tanque contém 500 L de água pura. Salmoura com 0,1 kg de sal por litro entra a 2 L/min, e a solução bem misturada sai na mesma vazão. Após quantos minutos t o tanque contém 25 kg de sal?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 2 L/min
t = min
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
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) = x·e−x. Calcule f′(0,5).
f(x) = x·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 3x2 − 5x − 3 em x = 2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 3x2 − 5x − 3x = 2
b =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫02 eˣ dx com a regra do trapézio, n = 4, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = −y, y(0) = −1 para estimar y3 ≈ y(0,75).
y′ = −yy(0) = −1h = 0,25
y3 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,03948
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 2, −3A − 4B = -4
A = 4, B = −2
Calcular
y(1,5) = 4·e−4,5 + (−2)·e−6 = 0,03948
Resposta
y(1,5) = 0,03948
2.Equações diferenciais
Resposta: t = 173,3 min
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.
Resultado
m(t) = 50 + (−50)·e−t/250
Resolver para t
e−t/250 = (50 − 25)/(50 − 0) = 0,5
t = 250·ln(2) = 173,3 min
Resposta
t = 173,3 min
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: 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′(0.5) = 0,3033
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·(1 + (−1)·x)
Substituir
f′(0,5) = 0,6065·(1 + (−0,5)) = 0,3033
Resposta
f′(0,5) = 0,3033
6.Derivadas
Resposta: b = −15
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(2) = −1
f′(x) = 6x − 5 → f′(2) = 7
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −1 − 7·2 = −15
Resposta
b = −15
7.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,1326
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.