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″ + 7y′ + 12y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = -2. Encontre y(1).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
2.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + 2y/x = 3x2 para x > 0, com y(1) = −3. Encontre y(2).
y′ + 2y/x = 3x2y(1) = −3
y(2) =
3.IntegraisMédia
Calcule I = ∫₀1 x·cos x dx (x em radianos).
∫₀1 x·cos x dx
I =
4.IntegraisDifícil
Calcule a área A da região limitada por y = x2 e y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMédia
Seja f(x) = x·sin(x), com x em radianos. Calcule f′(1).
f(x) = x·sin(x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Seja f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 3. Calcule a abcissa x do mínimo local.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 3
x =
7.Métodos numéricosMédia
A regra do trapézio é usada para ∫02 sin x dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,0005.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
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(1) = 0,6581
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 características
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes a partir dos valores iniciais
A + B = 5, −3A − 4B = -2
A = 18, B = −13
Calcular
y(1) = 18·e−3 + (−13)·e−4 = 0,6581
Resposta
y(1) = 0,6581
2.Equações diferenciais
Resposta: y(2) = 3,9
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)′ = 3x4 → x2y = 3x5/5 + C
Condição inicial
−3 = 3/5 + C → C = −3,6
Calcular
y(2) = (3·25/5 + (−3,6))/22 = 3,9
Resposta
y(2) = 3,9
3.Integrais
Resposta: I = 0,3818
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818
Resposta
I = 0,3818
4.Integrais
Resposta: A = 4,5
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
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Resposta
A = 4,5
5.Derivadas
Resposta: f′(1) = 1,382
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.
Regras do produto e da cadeia
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Substituir
f′(1) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Resposta
f′(1) = 1,382
6.Derivadas
Resposta: x = 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.
Derivada
f′(x) = 3x2 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 ou x = 4
Qual é qual
f″(x) = 6x − 21: negativa num máximo, positiva num mínimo.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 4
Resposta
x = 4
7.Métodos numéricos
Resposta: n = 37
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(π/2)| = 1
Resolver em ordem a n
n² > 8·1/(12·0,0005) = 1333
n > 36,51 → n = 37
Resposta
n = 37
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.