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 380 °C é deixada esfriando em uma oficina a 28 °C. Após 24 min sua temperatura é 305 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.
T0 = 380 °CTa = 28 °CT(24) = 305 °C
k = min⁻¹
2.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + y′ + 16,25y = 162,5 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.
y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraisDifícil
A região entre a reta y = 3x e a parábola y = 3x² gira em torno do eixo x. Encontre o volume V do sólido.
y = 3xy = 3x²
V =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(x2 + 5). Calcule f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 5)x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = x2 − x + 2 em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = x2 − x + 2x = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 1 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 4 s com a regra de Simpson.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,1 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: k = 0,009984 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−24k = 277/352
Resolver para k
k = ln(352/277)/24 = 0,009984 min⁻¹
Resposta
k = 0,009984 min⁻¹
2.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 16,75
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 = 10, r = −0,5 ± 4j
Constantes a partir dos valores iniciais
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25
Pico
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75
Resposta
ymax = 16,75
3.Integrais
Resposta: I = 3,437
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) = e0,5x/0,5
Avaliar nos limites
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Resposta
I = 3,437
4.Integrais
Resposta: V = 3,77
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
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Método das arruelas
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Resposta
V = 3,77
5.Derivadas
Resposta: f′(−1) = −0,3333
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) = 2x/(x2 + 5)
Substituir
f′(−1) = −2/6 = −0,3333
Resposta
f′(−1) = −0,3333
6.Derivadas
Resposta: b = 1
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(1) = 2
f′(x) = 2x − 1 → f′(1) = 1
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − 1·1 = 1
Resposta
b = 1
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 73,67 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
8 + 4·14 + 2·18 + 4·24 + 25 = 221
Regra de Simpson
s = (1/3)·221 = 73,67 m
Resposta
s = 73,67 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,5972
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.