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) = 2 e y′(0) = -1. Encontre y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(2) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva y″ + 2y′ + 17y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,25); ângulos em radianos.
y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = (−2x + 3)5. Calcule f′(−1).
f(x) = (−2x + 3)5x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
A reta tangente a f(x) = 3x2 + x − 4 em x = −2 corta o eixo y em y = b. Calcule b.
f(x) = 3x2 + x − 4x = −2
b =
7.Métodos numéricosMédia
Aproxime ∫02 √x·e−x dx com a regra de Simpson usando n = 6 faixas. Dê S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Encontre y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Soluções
1.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 0,02975
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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 6 = 5
Calcular
y(2) = (2 + 5·2)·e−6 = 0,02975
Resposta
y(2) = 0,02975
2.Equações diferenciais
Resposta: y(0.25) = 1,169
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 = −1 ± 4j
Constantes
A = 2, B = 1·2/4 = 0,5
Calcular
y(0,25) = e−0,25(2·cos 1 + 0,5·sin 1) = 1,169
Resposta
y(0,25) = 1,169
3.Integrais
Resposta: I = 2,333
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.
Substituição
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integrar e avaliar
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Resposta
I = 2,333
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) = −6250
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) = 5·(−2x + 3)4·(−2)
Substituir
f′(−1) = 5·54·(−2) = −6250
Resposta
f′(−1) = −6250
6.Derivadas
Resposta: b = −16
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(−2) = 6
f′(x) = 6x + 1 → f′(−2) = −11
Reta tangente em x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − (−11)·(−2) = −16
Resposta
b = −16
7.Métodos numéricos
Resposta: S = 0,6378
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.
Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.
8.Métodos numéricos
Resposta: y1 = 0,7128
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.