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
xy00,51

Aproxime ∫01 eˣ dx com a regra do trapézio, n = 2, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
2.Métodos numéricosDifícil
00,5111,52ty(0, 2)

Resolva y′ = t − y, y(0) = 2 com o método de Euler e passo h = 0,2 até t = 1. A solução exata é y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Encontre o erro global |E| = |y(1) − y5|.

y′ = t − yy(0) = 2h = 0,2
|E| =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/√kk = 1 … ∞DΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.

A: Σ (5/4)ᵏB: Σ (1/2)ᵏC: Σ 1/√kD: Σ k!/10ᵏ
  1. 1A: Σ (5/4)ᵏ
  2. 2B: Σ (1/2)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/√k
  4. 4D: Σ k!/10ᵏ
4.Sequências e sériesDifícil

Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,25ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,25ᵏ/k
S =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =31−54203−3−4

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

A = [3 1 −5; 4 2 0; 3 −3 −4]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =4−2−2−3b =5−12

Resolva o sistema 4x − 2y = 5 e −2x − 3y = −12. Calcule x.

4x − 2y = 5−2x − 3y = −12
x =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Resolva y″ + 5y′ + 6y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = -2. Encontre y(1,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1.5) =
8.Equações diferenciaisDifícil
xy13(1, −2)y(3) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + 3y/x = 3x2 para x > 0, com y(1) = −2. Encontre y(3).

y′ + 3y/x = 3x2y(1) = −2
y(3) =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,03565

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.

Valor exato

I = 1,718282

Regra do trapézio

T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2,718282) = 1,753931

Erro

|E| = |1,753931 − 1,718282| = 0,03565

Resposta

|E| = 0,03565

Erro relativo: 2,075%.

2.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,1206

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₊₁002−21,610,21,6−1,41,3220,41,32−0,921,13630,61,136−0,5361,028840,81,0288−0,22880,98304

Passos de Euler

y5 = 0,98304

Valor exato

y(1) = 1,103638

Erro global

|E| = |1,103638 − 0,98304| = 0,1206
00,5111,52ty

Gráfico

Resposta

|E| = 0,1206

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

3.Sequências e séries

Resposta: B: Σ (1/2)ᵏ

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.

Teste cada série

A: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica com r = 5/4 > 1: os termos crescem, então diverge.
B: Σ (1/2)ᵏ → Geométrica com r = 1/2, |r| < 1: converge.
C: Σ 1/√k → Série-p com p = 1/2 ≤ 1: diverge.
D: Σ k!/10ᵏ → Teste da razão: L = lim (k + 1)/10 = ∞, diverge.

A resposta

B: Σ (1/2)ᵏ

Resposta

B: Σ (1/2)ᵏ
4.Sequências e séries

Resposta: S = 0,2231

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.

Séries padrão

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Substituir

x = 0,25
S = ln 1,25 = 0,2231

Resposta

S = 0,2231
5.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = 82

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 = −8, M₁₂ = −16, M₁₃ = −18

Desenvolvimento por cofatores

det A = 3·(−8) − 1·(−16) + (−5)·(−18) = 82

Resposta

det A = 82
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 2,438

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 = 4·(−3) − (−2)·(−2) = −16

Substituir a coluna de x

det Aₓ = 5·(−3) − (−2)·(−12) = −39
x = −39/(−16) = 2,438

Resposta

x = 2,438
y = 2,375
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1.5) = 0,5584

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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Constantes a partir dos valores iniciais

A + B = 5, −2A − 3B = -2
A = 13, B = −8

Calcular

y(1,5) = 13·e−3 + (−8)·e−4,5 = 0,5584

Resposta

y(1,5) = 0,5584
8.Equações diferenciais

Resposta: y(3) = 13,41

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∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 3x5 → x3y = 3x6/6 + C

Condição inicial

−2 = 3/6 + C → C = −2,5

Calcular

y(3) = (3·36/6 + (−2,5))/33 = 13,41

Resposta

y(3) = 13,41

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