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 5 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 26 °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 15 min.
T0 = 5 °CTa = 26 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 15 min
T = °C
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 4y′ + 13y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(1); ângulos em radianos.
y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫26 4/x dx.
f(x) = 4/x[2, 6]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região entre a parábola y = 4 − x² e o eixo x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = ln(2x2 + 1). Calcule f′(−2).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 3. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
A velocidade de um veículo é medida a cada 2 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 8 s com a regra de Simpson.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: T = 21,31 °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) = 26 + (−21)·e−0,1t
Substituir t
T(15) = 26 + (−21)·0,2231 = 21,31 °C
Resposta
T = 21,31 °C
2.Equações diferenciais
Resposta: y(1) = −0,1212
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.
Raízes complexas
r = −2 ± 3j
Constantes
A = 1, B = 2·1/3 = 0,6667
Calcular
y(1) = e−2(1·cos 3 + 0,6667·sin 3) = −0,1212
Resposta
y(1) = −0,1212
3.Integrais
Resposta: I = 4,394
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) = 4·ln x
Avaliar nos limites
I = 4·(ln 6 − ln 2) = 4·ln 3 = 4,394
Resposta
I = 4,394
4.Integrais
Resposta: A = 10,67
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.
Zeros
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Resposta
A = 10,67
5.Derivadas
Resposta: f′(−2) = −0,8889
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) = 4x/(2x2 + 1)
Substituir
f′(−2) = −8/9 = −0,8889
Resposta
f′(−2) = −0,8889
6.Derivadas
Resposta: x = 7
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 ou x = 7
Qual é qual
f″(x) = 6x − 30: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 7
Resposta
x = 7
7.Métodos numéricos
Resposta: s = 80,67 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
6 + 4·10 + 2·12 + 4·10 + 11 = 121
Regra de Simpson
s = (2/3)·121 = 80,67 m
Resposta
s = 80,67 m
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,5584
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.