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″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = 2. Encontre y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = 4x2 para x > 0, com y(1) = −3. Encontre y(2).
y′ + 2y/x = 4x2y(1) = −3
y(2) =
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 cone).
y = x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = 2x2 e y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(x2 + 1). Calcule f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = −x2 + 4x + 3 em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = −x2 + 4x + 3x = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫12 1/x dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [1, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Resolva y′ = y(2 − y), y(0) = 1 com o método de Euler e passo h = 0,25 até t = 1. A solução exata é y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Encontre o erro global |E| = |y(1) − y4|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,25
|E| =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(1.5) = 0,3388
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 + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 15 = 17
Calcular
y(1,5) = (5 + 17·1,5)·e−4,5 = 0,3388
Resposta
y(1,5) = 0,3388
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 5,45
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∫2/x dx = x2
Integrar
(x2y)′ = 4x4 → x2y = 4x5/5 + C
Condição inicial
−3 = 4/5 + C → C = −3,8
Calcular
y(2) = (4·25/5 + (−3,8))/22 = 5,45
Resposta
y(2) = 5,45
3.Integrais
Resposta: V = 28,27
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 1x² dx
Integrar
V = π·1·3³/3 = 28,27
Resposta
V = 28,27
Verificação: um cone de raio 3 e altura 3 tem (1/3)πr²h = 28,27.
4.Integrais
Resposta: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Resposta
A = 2,667
5.Derivadas
Resposta: f′(−1) = −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.
Regra da cadeia para o logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 1)
Substituir
f′(−1) = −2/2 = −1
Resposta
f′(−1) = −1
6.Derivadas
Resposta: b = 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.
Ponto e declive
f(1) = 6
f′(x) = −2x + 4 → f′(1) = 2
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − 2·1 = 4
Resposta
b = 4
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 130
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.
Cota da segunda derivada
M = 2/1³ = 2
Resolver em ordem a n
n² > 1·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 16667
n > 129,1 → n = 130
Resposta
n = 130
8.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,04998
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
y4 = 1,811571
Valor exato
y(1) = 1,761594
Erro global
|E| = |1,761594 − 1,811571| = 0,04998
Gráfico
Resposta
|E| = 0,04998
Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.