Equações Diferenciais: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Equações diferenciais

Crescimento/decaimento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Meia-vida
k = ln 2 / t½
Lei de resfriamento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fator integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tanque de mistura
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrais

Regra da potência
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrais comuns
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescreva o integrando como uma soma de termos simples sempre que possível.
  2. Aplique a regra da potência: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e as integrais padrão para ex, 1/x, sen e cos.
  3. Use substituição quando vir uma função e sua derivada juntas.
  4. Para uma integral definida, calcule F(b) − F(a).

Derivadas

Regra da potência
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regra do produto
(uv)′ = u′v + uv′
Regra do quociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regra da cadeia
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas comuns
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifique a estrutura: soma, produto, quociente ou composição.
  2. Aplique a regra da potência a cada potência de x.
  3. Use a regra do produto, do quociente ou da cadeia quando necessário.
  4. Simplifique e, se pedido, calcule o valor no ponto.

Métodos numéricos

Bissecção
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolação linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regra do trapézio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regra de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota do erro do trapézio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. 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.
  2. Para um valor de tabela: interpole linearmente entre os dois pontos vizinhos.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)56Ta​134 °C80 °C

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
tyy(0) = 10y(0,75) = ?

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
xy03

Calcule I = ∫03 ex dx.

f(x) = ex[0, 3]
I =
4.IntegraisDifícil
xyy = 0,5x2​y = 3x

Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = 3x.

y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivadasMédia
xyx = 3

Seja f(x) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(3).

f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 2

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
t (s)0102030405060v (m/s)7131416202425

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
00,511,50,511,52ty(0, 0,5)

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.

Raízes complexas

r = −2 ± 3j

Constantes

A = 10, B = 2·10/3 = 6,667

Calcular

y(0,75) = e−1,5(10·cos 2,25 + 6,667·sin 2,25) = −0,2442

Resposta

y(0,75) = −0,2442
3.Integrais

Resposta: I = 19,09

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,50,750,87510,50,8750,9843751,367188211,3671880,8651731,799774

Passos de Euler

y3 = 1,799774

Valor exato

y(1,5) = 1,740097

Erro global

|E| = |1,740097 − 1,799774| = 0,05968
00,511,50,511,52ty

Gráfico

Resposta

|E| = 0,05968

Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.

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