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

A regra do trapézio é usada para ∫02 eˣ dx. O erro é no máximo (b − a)³·M/(12n²) com M = max|f″| em [0, 2]. Encontre o menor número de faixas n que garante um erro abaixo de 0,001.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
2.Métodos numéricosDifícil
00,20,400,5ty(0, 0)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,25 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 para estimar y2 ≈ y(0,5).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,25
y2 =
3.Sequências e sériesMédia
xx₀ = 1??R

Encontre o raio de convergência R da série de potências Σk=1∞ (x − 1)ᵏ/(k²·5ᵏ).

Σ (x − 1)ᵏ/(k²·5ᵏ)x₀ = 1
R =
4.Sequências e sériesDifícil
xyfP₄0,25

Use o polinômio de Maclaurin de grau 4 de f(x) = 1/(1 − 2x) para aproximar f(0,25). Dê P₄(0,25).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 4x = 0,25
P₄(0.25) =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =2−2−445−3−4−10

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

A = [2 −2 −4; 4 5 −3; −4 −1 0]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =−4−2−1−2b =−710

Resolva o sistema −4x − 2y = −7 e −x − 2y = 10. Calcule x.

−4x − 2y = −7−x − 2y = 10
x =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)25Ta​23 °C

Uma xícara de café a 80 °C é deixada em uma sala a 19 °C. Após 25 min sua temperatura é 23 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.

T0 = 80 °CTa = 19 °CT(25) = 23 °C
k = min⁻¹
8.Equações diferenciaisDifícil
xy12(1, 3)y(2) = ?

Resolva o problema de valor inicial y′ + y/x = 5x para x > 0, com y(1) = 3. Encontre y(2).

y′ + y/x = 5xy(1) = 3
y(2) =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: n = 71

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.

Cota da segunda derivada

M = e2 = 7,389

Resolver em ordem a n

n² > 8·7,389/(12·0,001) = 4926
n > 70,19 → n = 71

Resposta

n = 71
2.Métodos numéricos

Resposta: y2 = 0,5482

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00011,0624590,25780710,250,2578071,0644071,2589690,548229

Passos de Heun

y₁ = 0 + (0,25/2)(1 + 1,062459) = 0,257807
y₂ = 0,257807 + (0,25/2)(1,064407 + 1,258969) = 0,548229
00,20,400,5ty

Gráfico

y2 = 0,5482

Resposta

y2 = 0,5482
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)² → 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: P₄(0.25) = 1,938

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.

Polinômio de Maclaurin

P₄(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³ + 16x⁴

Substituir

P₄(0,25) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Resposta

P₄(0,25) = 1,938

O valor exato é f(0,25) = 2; o erro 0,0625 diminui quando você toma mais termos ou um ponto mais próximo de 0.

5.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = −94

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 = −3, M₁₂ = −12, M₁₃ = 16

Desenvolvimento por cofatores

det A = 2·(−3) − (−2)·(−12) + (−4)·16 = −94

Resposta

det A = −94
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 5,667

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)·(−2) − (−2)·(−1) = 6

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−7)·(−2) − (−2)·10 = 34
x = 34/6 = 5,667

Resposta

x = 5,667
y = −7,833
7.Equações diferenciais

Resposta: k = 0,109 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−25k = 4/61

Resolver para k

k = ln(61/4)/25 = 0,109 min⁻¹

Resposta

k = 0,109 min⁻¹
8.Equações diferenciais

Resposta: y(2) = 7,333

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∫1/x dx = x1

Integrar

(x1y)′ = 5x2 → x1y = 5x3/3 + C

Condição inicial

3 = 5/3 + C → C = 1,333

Calcular

y(2) = (5·23/3 + 1,333)/21 = 7,333

Resposta

y(2) = 7,333

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