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 lata de refrigerante a 3 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 23 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,1 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 17 min.
T0 = 3 °CTa = 23 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 17 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = 3 para x > 0, com y(1) = 3. Encontre y(2).
y′ + 2y/x = 3y(1) = 3
y(2) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
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) = (−2x − 3)4. Calcule f′(0).
f(x) = (−2x − 3)4x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 2x2 + x − 3 em x = 1 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 2x2 + x − 3x = 1
b =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫01 eˣ 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 0,0005.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 0,0005
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,5 para y′ = t² + y², y(0) = 0. Encontre y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0,5
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 19,35 °C
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.
Solução da lei de resfriamento
T(t) = 23 + (−20)·e−0,1t
Substituir t
T(17) = 23 + (−20)·0,1827 = 19,35 °C
Resposta
T = 19,35 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 2,5
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)′ = 3x2 → x2y = 3x3/3 + C
Condição inicial
3 = 3/3 + C → C = 2
Calcular
y(2) = (3·23/3 + 2)/22 = 2,5
Resposta
y(2) = 2,5
3.Integrais
Resposta: I = 7,34
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.
Escolha u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Resposta
I = 7,34
4.Integrais
Resposta: A = 0,6667
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) = 216
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
f′(x) = 4·(−2x − 3)3·(−2)
Substituir
f′(0) = 4·(−3)3·(−2) = 216
Resposta
f′(0) = 216
6.Derivadas
Resposta: b = −5
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) = 0
f′(x) = 4x + 1 → f′(1) = 5
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 5·1 = −5
Resposta
b = −5
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 22
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 = e1 = 2,718
Resolver em ordem a n
n² > 1·2,718/(12·0,0005) = 453
n > 21,28 → n = 22
Resposta
n = 22
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,04179
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.