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.
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
Identifique o tipo: aritmética (diferença constante), geométrica (razão constante), uma série padrão, uma série de potências ou um polinômio de Taylor.
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.
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.
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
A velocidade de um veículo é medida a cada 10 s (tabela). Estime a distância s percorrida de t = 0 a t = 40 s com a regra de Simpson.
h = 10 sn = 4
s = m
2.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,2 para y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 para estimar y3 ≈ y(0,6).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,2
y3 =
3.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.
A: Σ (4/3)ᵏB: Σ 2/k³C: Σ 2ᵏ/k²D: Σ 5/k
1A: Σ (4/3)ᵏ
2B: Σ 2/k³
3C: Σ 2ᵏ/k²
4D: Σ 5/k
4.Sequências e sériesDifícil
f(x) = eˣ é aproximada em x = 1 pelo seu polinômio de Maclaurin de grau n. Com a cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! e M = 3, encontre o menor grau n que garante um erro abaixo de 0,001.
f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 0,001
n =
5.Matrizes e determinantesMédia
Calcule o determinante det A da matriz 3×3 A apresentada.
A = [−1 −2 −2; 1 −4 −3; 2 −1 −2]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
Resolva o sistema 3x − 4y = 9 e −6x + 5y = 7. Calcule x.
3x − 4y = 9−6x + 5y = 7
x =
7.Equações diferenciaisMédia
Uma xícara de café a 88 °C é deixada em uma sala a 24 °C. Após 29 min sua temperatura é 32 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 60 °C?
T0 = 88 °CTa = 24 °CT(29) = 32 °CT = 60 °C
t = min
8.Equações diferenciaisDifícil
Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 2x para x > 0, com y(1) = 4. Encontre y(3).
y′ + y/x = 2xy(1) = 4
y(3) =
3Soluções
1.Métodos numéricos
Resposta: s = 643,3 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
10 + 4·14 + 2·19 + 4·18 + 17 = 193
Regra de Simpson
s = (10/3)·193 = 643,3 m
Resposta
s = 643,3 m
2.Métodos numéricos
Resposta: y3 = 0,4856
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.
Passos de Euler
y₁ = 0,2 + 0,2·(0,36) = 0,272
y₂ = 0,272 + 0,2·(0,470016) = 0,366003
y₃ = 0,366003 + 0,2·(0,598048) = 0,485613
Gráfico
y3 = 0,4856
Resposta
y3 = 0,4856
O valor exato é y(0,6) = 0,538975.
3.Sequências e séries
Resposta: B: Σ 2/k³
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 (4/3)ᵏ → Geométrica com r = 4/3 > 1: os termos crescem, então diverge.
B: Σ 2/k³ → Série-p com p = 3 > 1: converge.
C: Σ 2ᵏ/k² → Teste da razão: L = 2 > 1, diverge.
D: Σ 5/k → Um múltiplo da série harmônica (p = 1): diverge.
A resposta
B: Σ 2/k³
Resposta
B: Σ 2/k³
4.Sequências e séries
Resposta: n = 6
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.
Cotas para n crescente
n = 5: 0,004167 ≥ 0,001
n = 6: 0,0005952 < 0,001
Menor grau
n = 6
Resposta
n = 6
5.Matrizes e determinantes
Resposta: det A = −11
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 = 5, M₁₂ = 4, M₁₃ = 7
Desenvolvimento por cofatores
det A = (−1)·5 − (−2)·4 + (−2)·7 = −11
Resposta
det A = −11
6.Matrizes e determinantes
Resposta: x = −8,111
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 − (−4)·(−6) = −9
Substituir a coluna de x
det Aₓ = 9·5 − (−4)·7 = 73
x = 73/(−9) = −8,111
Resposta
x = −8,111
y = −8,333
7.Equações diferenciais
Resposta: t = 8,024 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(64/8)/29 = 0,0717 min⁻¹
Tempo até atingir o valor desejado
t = ln(64/36)/0,0717 = 8,024 min
Resposta
t = 8,024 min
8.Equações diferenciais
Resposta: y(3) = 7,111
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.