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
tyy(0) = 3y(1) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 4y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 2. Encontre y(1).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1) =
2.Equações diferenciaisDifícil
ty2y(2) = ?

Resolva y′ + y = 7e−3t com y(0) = 1. Encontre y(2).

y′ + y = 7e−3ty(0) = 1
y(2) =
3.IntegraisMédia
xy01

Calcule I = ∫01 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 1]
I =
4.IntegraisDifícil
xy1y = x²eˣ

Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
xyx = 1

Seja f(x) = ln(3x2 + 5). Calcule f′(1).

f(x) = ln(3x2 + 5)x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Seja f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 5. Calcule a abcissa x do mínimo local.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 5
x =
7.Métodos numéricosMédia

A regra do trapézio é usada para ∫01 sin x dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 1]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0001.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,411,21,4ty(0, 1)

Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 1. Encontre y₁ ≈ y(0,5).

y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y1 =

3Soluções

1.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 1,489

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) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8

Calcular

y(1) = (3 + 8·1)·e−2 = 1,489

Resposta

y(1) = 1,489
2.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 0,6003

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 = et
(ety)′ = 7e−2t

Solução geral

y = 7/(−2)·e−3t + C·e−t = −3,5·e−3t + C·e−t

Condição inicial

1 = −3,5 + C → C = 4,5

Calcular

y(2) = −3,5·0,002479 + 4,5·0,1353 = 0,6003

Resposta

y(2) = 0,6003
3.Integrais

Resposta: I = 0,6321

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) = e−x/(−1)

Avaliar nos limites

I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321

Resposta

I = 0,6321
4.Integrais

Resposta: I = 0,7183

Integração por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir da regra do produto. Escolha como u o fator que fica mais simples quando você o deriva (uma potência de x ou ln x) e como dv o fator que você sabe integrar (eˣ, sen x, cos x ou x quando u = ln x). Para uma integral definida, calcule u·v nos dois limites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Um fator x² exige duas rodadas.

Primeira rodada

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Segunda rodada

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limites

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Resposta

I = 0,7183
5.Derivadas

Resposta: f′(1) = 0,75

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) = 6x/(3x2 + 5)

Substituir

f′(1) = 6/8 = 0,75

Resposta

f′(1) = 0,75
6.Derivadas

Resposta: x = 3

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 + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)

Resolver f′(x) = 0

x = 2 ou x = 3

Qual é qual

f″(x) = 6x − 15: negativa num máximo, positiva num mínimo.

f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 3

Resposta

x = 3
7.Métodos numéricos

Resposta: n = 27

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 = sin 1 = 0,8415

Resolver em ordem a n

n² > 1·0,8415/(12·0,0001) = 701,2
n > 26,48 → n = 27

Resposta

n = 27
8.Métodos numéricos

Resposta: y1 = 1,371

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.

Quatro inclinações

k₁ = f(0, 1) = 1
k₂ = f(0,25, 1,25) = 0,731616
k₃ = f(0,25, 1,182904) = 0,743991
k₄ = f(0,5, 1,371996) = 0,503587

Combine

y₁ = 1 + (0,5/6)(1 + 2·0,731616 + 2·0,743991 + 0,503587) = 1,371

Resposta

y1 = 1,371

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