Métodos Numéricos: 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

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.

Sequências e séries

Sequência aritmética
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Sequência geométrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série geométrica infinita
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série-p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Teste da razão
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Raio de convergência
R = lim |ck/ck+1|
Polinômio de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Cota de erro de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Método

  1. Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
  2. Para somas use Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quando |r| < 1, com a₁ o primeiro termo da soma.
  3. Para a convergência: primeiro o teste do n-ésimo termo, depois compare com Σ1/kᵖ ou com uma série geométrica, e use o teste da razão ou da raiz para fatoriais e potências k-ésimas.
  4. Para polinômios de Taylor liste f(a), f′(a), f″(a), …, divida a k-ésima derivada por k! e limite o erro com M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Matrizes e determinantes

determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produto
(AB)ij = Σk AikBkj
Valores próprios
det(A − λI) = 0
Regra de Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

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

2Exercícios

1.Métodos numéricosMédia
xy00,3750,751,1251,5

Aproxime ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx com a regra de Simpson usando n = 4 faixas. Dê S.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
2.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,40,450,5ty(0, 0,5)

Resolva y′ = t − y, y(0) = 0,5 com o método de Euler e passo h = 0,1 até t = 0,3. A solução exata é y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Encontre o erro global |E| = |y(0,3) − y3|.

y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,1
|E| =
3.Sequências e sériesMédia
xx₀ = 0??R

Encontre o raio de convergência R da série de potências Σk=1∞ xᵏ/(k·5ᵏ).

Σ xᵏ/(k·5ᵏ)x₀ = 0
R =
4.Sequências e sériesDifícil

f(x) = eˣ é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 3 em x = 1. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = e1 = 2,718 para encontrar o maior erro possível |R₃|.

f(x) = eˣn = 3x = 1M = 2,718
|R₃| =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =24−1020−4−40

Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.

A = [2 4 −1; 0 2 0; −4 −4 0]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =−3−215b =−39

Resolva o sistema −3x − 2y = −3 e x + 5y = 9. Calcule x.

−3x − 2y = −3x + 5y = 9
x =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)38Ta​T = ?

Uma peça de aço forjado a 420 °C é deixada esfriando em uma oficina a 30 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,05 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 38 min.

T0 = 420 °CTa = 30 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 38 min
T = °C
8.Equações diferenciaisDifícil
ty0,5y(0,5) = ?

Resolva y′ + 0,5y = 6e−3t com y(0) = 4. Encontre y(0,5).

y′ + 0,5y = 6e−3ty(0) = 4
y(0.5) =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: S = 1,199

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,3750,990257420,750,871576231,1250,619958441,50,4061381

Nós e valores

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,990257 + 2·0,871576 + 4·0,619958 + 0,406138 = 9,590149

Regra de Simpson

S = (0,375/3)·9,590149 = 1,199

Resposta

S = 1,199

Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.

2.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,01773

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,5−0,50,4510,10,45−0,350,41520,20,415−0,2150,3935

Passos de Euler

y3 = 0,3935

Valor exato

y(0,3) = 0,411227

Erro global

|E| = |0,411227 − 0,3935| = 0,01773
00,10,20,30,40,450,5ty

Gráfico

Resposta

|E| = 0,01773

Reduzir h à metade reduz aproximadamente à metade o erro do método de Euler.

3.Sequências e séries

Resposta: R = 5

Convergência: se os termos não tendem a 0, a série diverge (teste do n-ésimo termo). Σ1/kᵖ converge somente para p > 1, e Σrᵏ somente para |r| < 1. Compare uma série com uma dessas quando seus termos se comportam como elas para k grande. Teste da razão: L = lim |ak+1/ak|; teste da raiz: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 não decide nada. Uma série de potências Σck(x − x₀)ᵏ converge para |x − x₀| < R com R = lim |ck/ck+1|; uma série alternada com termos decrescentes a 0 converge.

Coeficientes

ck/ck+1 = 5·((k + 1)/k) → 5

Raio

R = 5

Resposta

R = 5

O teste da razão nada diz nos dois extremos; eles precisam ser verificados separadamente.

4.Sequências e séries

Resposta: |R₃| = 0,1133

Polinômios de Taylor: perto de x = a, uma função suave é aproximada por Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; para a = 0 este é o polinômio de Maclaurin. Séries padrão: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Cota de erro de Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, em que M é o maior valor de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a e x.

Cota para a derivada

M = e1 = 2,718

Cota de Lagrange

|R₃| ≤ 2,718·1⁴/4! = 0,1133

Resposta

|R₃| = 0,1133

O erro verdadeiro é menor: |f(1) − P₃(1)| = 0,05162.

5.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = −8

Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.

Menores 2×2 da primeira linha

M₁₁ = 0, M₁₂ = 0, M₁₃ = 8

Desenvolvimento por cofatores

det A = 2·0 − 4·0 + (−1)·8 = −8

Resposta

det A = −8
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = −0,2308

Matrizes: o determinante de uma matriz 2×2 é ad − bc. Numa 3×3, desenvolva por uma linha: cada elemento vezes o determinante da 2×2 que resta ao tirar a sua linha e coluna, com sinais alternados + − +. Os valores próprios λ resolvem det(A − λI) = 0; numa 2×2 é λ² − (traço)·λ + det = 0.

Determinante da matriz dos coeficientes

det A = (−3)·5 − (−2)·1 = −13

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−3)·5 − (−2)·9 = 3
x = 3/(−13) = −0,2308

Resposta

x = −0,2308
y = 1,846
7.Equações diferenciais

Resposta: T = 88,33 °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) = 30 + 390·e−0,05t

Substituir t

T(38) = 30 + 390·0,1496 = 88,33 °C

Resposta

T = 88,33 °C
8.Equações diferenciais

Resposta: y(0.5) = 4,449

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 6e−2,5t

Solução geral

y = 6/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −2,4·e−3t + C·e−0,5t

Condição inicial

4 = −2,4 + C → C = 6,4

Calcular

y(0,5) = −2,4·0,2231 + 6,4·0,7788 = 4,449

Resposta

y(0,5) = 4,449

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