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
xy012

Aproxime ∫02 sin x dx com a regra de Simpson, n = 2, e compare com o valor exato. Encontre o erro absoluto |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
2.Métodos numéricosDifícil
00,510,30,40,5ty(0, 0,5)

Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = −0,5y, y(0) = 0,5 para estimar y4 ≈ y(1).

y′ = −0,5yy(0) = 0,5h = 0,25
y4 =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ 2/k³k = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

A: Σ k!/3ᵏB: Σ 1/(2ᵏ + k)C: Σ 2ᵏ/k!D: Σ 2/k³
  1. 1A: Σ k!/3ᵏ
  2. 2B: Σ 1/(2ᵏ + k)
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k!
  4. 4D: Σ 2/k³
4.Sequências e sériesDifícil

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

ak = (−1)ᵏ/k!
S =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =0−304B =2−2−34

Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c11 (linha 1, coluna 1).

A = [0 −3; 0 4]B = [2 −2; −3 4]
c11 =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =−26−711

Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.

A = [−2 6; −7 11]
λ =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)45Ta​136 °C

Uma peça de aço forjado a 300 °C é deixada esfriando em uma oficina a 24 °C. Após 45 min sua temperatura é 136 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.

T0 = 300 °CTa = 24 °CT(45) = 136 °C
k = min⁻¹
8.Equações diferenciaisDifícil
tyy(0) = 2y(0,75) = ?

Resolva y″ + 2y′ + 26y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 0 (solto a partir do repouso). Encontre y(0,75); ângulos em radianos.

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: |E| = 0,008914

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 = 1,416147

Regra de Simpson

S = (1/3)·(0 + 4·0,841471 + 0,909297) = 1,42506

Erro

|E| = |1,42506 − 1,416147| = 0,008914

Resposta

|E| = 0,008914

Erro relativo: 0,6294%.

2.Métodos numéricos

Resposta: y4 = 0,2931

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₊₁000,5−0,250,437510,250,4375−0,218750,38281320,50,382813−0,1914060,33496130,750,334961−0,167480,293091

Passos de Euler

y₁ = 0,5 + 0,25·(−0,25) = 0,4375
y₂ = 0,4375 + 0,25·(−0,21875) = 0,382813
y₃ = 0,382813 + 0,25·(−0,191406) = 0,334961
y₄ = 0,334961 + 0,25·(−0,16748) = 0,293091
00,510,30,40,5ty

Gráfico

y4 = 0,2931

Resposta

y4 = 0,2931

O valor exato é y(1) = 0,303265.

3.Sequências e séries

Resposta: A: Σ k!/3ᵏ

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 k!/3ᵏ → Teste da razão: L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
B: Σ 1/(2ᵏ + k) → Menor que (1/2)ᵏ, uma série geométrica convergente: converge por comparação.
C: Σ 2ᵏ/k! → Teste da razão: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ 2/k³ → Série-p com p = 3 > 1: converge.

A resposta

A: Σ k!/3ᵏ

Resposta

A: Σ k!/3ᵏ
4.Sequências e séries

Resposta: S = 0,3679

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 xᵏ/k! = eˣ

Substituir

x = −1
S = e−1 = 0,3679

Resposta

S = 0,3679
5.Matrizes e determinantes

Resposta: c11 = 9

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.

Linha vezes coluna

c11 = 0·2 + (−3)·(−3) = 9

Resposta

c11 = 9
6.Matrizes e determinantes

Resposta: λ = 5

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.

Equação característica

λ² − (9)λ + (20) = 0

Resolva

λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5
λ = 5

Resposta

λ = 5
7.Equações diferenciais

Resposta: k = 0,02004 min⁻¹

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.

Razão das diferenças de temperatura

e−45k = 112/276

Resolver para k

k = ln(276/112)/45 = 0,02004 min⁻¹

Resposta

k = 0,02004 min⁻¹
8.Equações diferenciais

Resposta: y(0.75) = −0,8832

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 ± 5j

Constantes

A = 2, B = 1·2/5 = 0,4

Calcular

y(0,75) = e−0,75(2·cos 3,75 + 0,4·sin 3,75) = −0,8832

Resposta

y(0,75) = −0,8832

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