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″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = -1. Encontre y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 2x2 para x > 0, com y(1) = −1. Encontre y(3).
y′ + y/x = 2x2y(1) = −1
y(3) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·ex. Calcule f′(0,5).
f(x) = x·exx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 6. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x − 6
x =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫03 √x·e−x dx com a regra de Simpson usando n = 2 faixas. Dê S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 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) = 0,2h = 0,5
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(1) = 0,2707
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 2 = 1
Calcular
y(1) = (1 + 1·1)·e−2 = 0,2707
Resposta
y(1) = 0,2707
2.Equações diferenciais
Resposta: y(3) = 13
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.
Fator integrante
μ = e∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 2x3 → x1y = 2x4/4 + C
Condição inicial
−1 = 2/4 + C → C = −1,5
Calcular
y(3) = (2·34/4 + (−1,5))/31 = 13
Resposta
y(3) = 13
3.Integrais
Resposta: I = 1,264
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.
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 = x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Resposta
A = 0,6667
5.Derivadas
Resposta: f′(0.5) = 2,473
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′ = ex·(1 + 1·x)
Substituir
f′(0,5) = 1,649·(1 + 0,5) = 2,473
Resposta
f′(0,5) = 2,473
6.Derivadas
Resposta: x = 4
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 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)
Resolver f′(x) = 0
x = 1 ou x = 4
Qual é qual
f″(x) = 6x − 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 4
Resposta
x = 4
7.Métodos numéricos
Resposta: S = 0,5897
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.
Nós e valores
h = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,273278 + 0,0862337 = 1,179344
Regra de Simpson
S = (1,5/3)·1,179344 = 0,5897
Resposta
S = 0,5897
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,2421
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 = 1,139066
Valor exato
y(1,5) = 1,381136
Erro global
|E| = |1,381136 − 1,139066| = 0,2421
Gráfico
Resposta
|E| = 0,2421
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.