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 360 °C é deixada esfriando em uma oficina a 25 °C. Após 56 min sua temperatura é 134 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 80 °C?
T0 = 360 °CTa = 25 °CT(56) = 134 °CT = 80 °C
t = min
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 4y′ + 13y = 0 com y(0) = 10 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫03 ex dx.
f(x) = ex[0, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(3).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 2x2 − 2x + 1 em x = 2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 2x2 − 2x + 1x = 2
b =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 10 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 60 s com a regra de Simpson.
h = 10 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 com o método de Euler e passo h = 0,5 até t = 1,5. A solução exata é y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Encontre o erro global |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: t = 90,12 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.
Constante de resfriamento
k = ln(335/109)/56 = 0,02005 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(335/55)/0,02005 = 90,12 min
Resposta
t = 90,12 min
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.75) = −0,2442
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.
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.
Primitiva
F(x) = ex/1
Avaliar nos limites
I = (e3 − 1)/1 = (20,09 − 1)/1 = 19,09
Resposta
I = 19,09
4.Integrais
Resposta: A = 18
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.
Pontos de interseção
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Resposta
A = 18
5.Derivadas
Resposta: f′(3) = 0,5217
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 para o logaritmo
f′(x) = 4x/(2x2 + 5)
Substituir
f′(3) = 12/23 = 0,5217
Resposta
f′(3) = 0,5217
6.Derivadas
Resposta: b = −7
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) = 5
f′(x) = 4x − 2 → f′(2) = 6
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 6·2 = −7
Resposta
b = −7
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 1040 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
7 + 4·13 + 2·14 + 4·16 + 2·20 + 4·24 + 25 = 312
Regra de Simpson
s = (10/3)·312 = 1040 m
Resposta
s = 1040 m
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,05968
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.
Passos de Euler
y3 = 1,799774
Valor exato
y(1,5) = 1,740097
Erro global
|E| = |1,740097 − 1,799774| = 0,05968
Gráfico
Resposta
|E| = 0,05968
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.