Métodos Numéricos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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
t (s)051015202530v (m/s)781215131614

A velocidade de um veículo é medida a cada 5 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 30 s com a regra do trapézio.

h = 5 sn = 6
s = m
2.Métodos numéricosDifícil
00,511,52ty(0, 2)

Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = cos t − y, y(0) = 2 para estimar y4 ≈ y(1).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,25
y4 =
3.Sequências e sériesMédia
kSn​12345678910

Encontre a soma S = Σk=117 1/(k(k + 1)).

ak = 1/(k(k + 1))n = 17
S =
4.Sequências e sériesDifícil

Encontre o coeficiente c₄ de (x − 1)⁴ na série de Taylor de f(x) = √x em torno de a = 1.

f(x) = √xa = 1k = 4
c₄ =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =2−401514−13

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

A = [2 −4 0; 1 5 1; 4 −1 3]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =−2−1−63b =10−3

Resolva o sistema −2x − y = 10 e −6x + 3y = −3. Calcule x.

−2x − y = 10−6x + 3y = −3
x =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)52Ta​109 °C65 °C

Uma peça de aço forjado a 440 °C é deixada esfriando em uma oficina a 21 °C. Após 52 min sua temperatura é 109 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 65 °C?

T0 = 440 °CTa = 21 °CT(52) = 109 °CT = 65 °C
t = min
8.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 10ymax​ = ?

Um sistema obedece a y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.

y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: s = 372,5 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

7 + 2·8 + 2·12 + 2·15 + 2·13 + 2·16 + 14 = 149

Regra do trapézio

s = (5/2)·149 = 372,5 m

Resposta

s = 372,5 m
2.Métodos numéricos

Resposta: y4 = 1,222

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₊₁002−11,7510,251,75−0,7810881,55472820,51,554728−0,6771461,38544230,751,385442−0,6537531,222004

Passos de Euler

y₁ = 2 + 0,25·(−1) = 1,75
y₂ = 1,75 + 0,25·(−0,781088) = 1,554728
y₃ = 1,554728 + 0,25·(−0,677146) = 1,385442
y₄ = 1,385442 + 0,25·(−0,653753) = 1,222004
00,511,52ty

Gráfico

y4 = 1,222

Resposta

y4 = 1,222
3.Sequências e séries

Resposta: S = 0,9444

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.

Frações parciais

1/(k(k + 1)) = 1·(1/k − 1/(k + 1))

Cancelar

S = 1·(1 − 1/18) = 0,9444

Resposta

S = 0,9444
4.Sequências e séries

Resposta: c₄ = −0,03906

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.

Derivada f⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −0,9375·x1/2 − 4

Coeficiente

c₄ = −0,9375·11/2 − 4/4! = −0,03906
c₄ = −0,03906

Resposta

c₄ = −0,03906
5.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = 28

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 = 16, M₁₂ = −1, M₁₃ = −21

Desenvolvimento por cofatores

det A = 2·16 − (−4)·(−1) + 0·(−21) = 28

Resposta

det A = 28
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = −2,25

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 = (−2)·3 − (−1)·(−6) = −12

Substituir a coluna de x

det Aₓ = 10·3 − (−1)·(−3) = 27
x = 27/(−12) = −2,25

Resposta

x = −2,25
y = −5,5
7.Equações diferenciais

Resposta: t = 75,1 min

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.

Constante de resfriamento

k = ln(419/88)/52 = 0,03001 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(419/44)/0,03001 = 75,1 min

Resposta

t = 75,1 min
8.Equações diferenciais

Resposta: ymax = 13,08

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.

Valor estacionário e raízes

yss = 10, r = −1,5 ± 4j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −3,75

Pico

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/4) = 13,08

Resposta

ymax = 13,08

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods