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
xy01,53

Aproxime ∫03 √x·e−x dx com a regra do trapézio usando n = 2 faixas. Dê T.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
T =
2.Métodos numéricosDifícil
00,050,10,150,22,62,83ty(0, 3)

Dê um passo do método clássico de Runge–Kutta (RK4) com h = 0,2 para y′ = cos t − y, y(0) = 3. Encontre y₁ ≈ y(0,2).

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,2
y1 =
3.Sequências e sériesMédia
AΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞BΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ (k + 4)/k²k = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞

Exatamente uma das quatro séries diverge. Clique nela.

A: Σ 1/(k(k + 3))B: Σ (2/5)ᵏC: Σ (k + 4)/k²D: Σ (−1)ᵏ/k
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 3))
  2. 2B: Σ (2/5)ᵏ
  3. 3C: Σ (k + 4)/k²
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/k
4.Sequências e sériesDifícil

Reconheça a série e encontre a sua soma: S = Σk=1∞ k·0,2ᵏ.

ak = k·0,2ᵏ
S =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =−1002−1314−2

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

A = [−1 0 0; 2 −1 3; 1 4 −2]
det A =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =12−31b =−29

Resolva o sistema x + 2y = −2 e −3x + y = 9. Calcule x.

x + 2y = −2−3x + y = 9
x =
7.Equações diferenciaisMédia
t (min)T (°C)26Ta​20 °C

Uma lata de refrigerante a 4 °C é tirada da geladeira e levada para uma sala a 24 °C. Após 26 min sua temperatura é 20 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Encontre a constante k em min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 24 °CT(26) = 20 °C
k = min⁻¹
8.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 2y(1) = ?

Um sistema obedece a y″ + y′ + 4,25y = 8,5 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre y(1); ângulos em radianos.

y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: T = 0,4746

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.

ixᵢf(xᵢ)peso000111,50,2732782230,08623371

Nós e valores

h = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,273278 + 0,0862337 = 0,632789

Regra do trapézio

T = (1,5/2)·0,632789 = 0,4746

Resposta

T = 0,4746

Esta integral não tem primitiva elementar, que é justamente quando uma regra numérica é necessária.

2.Métodos numéricos

Resposta: y1 = 2,636

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.

Quatro inclinações

k₁ = f(0, 3) = −2
k₂ = f(0,1, 2,8) = −1,804996
k₃ = f(0,1, 2,8195) = −1,824496
k₄ = f(0,2, 2,635101) = −1,655034

Combine

y₁ = 3 + (0,2/6)(−2 + 2·−1,804996 + 2·−1,824496 − 1,655034) = 2,636

Resposta

y1 = 2,636
3.Sequências e séries

Resposta: C: Σ (k + 4)/k²

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 1/(k(k + 3)) → Menor que 1/k²: converge por comparação.
B: Σ (2/5)ᵏ → Geométrica com r = 2/5, |r| < 1: converge.
C: Σ (k + 4)/k² → Comporta-se como 1/k para k grande: diverge por comparação com a série harmônica.
D: Σ (−1)ᵏ/k → Alternada, com 1/k decrescendo a 0: converge (condicionalmente).

A resposta

C: Σ (k + 4)/k²

Resposta

C: Σ (k + 4)/k²
4.Sequências e séries

Resposta: S = 0,3125

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 k·xᵏ = x/(1 − x)²

Substituir

x = 0,2
S = 0,2/(1 − 0,2)² = 0,3125

Resposta

S = 0,3125
5.Matrizes e determinantes

Resposta: det A = 10

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 = −10, M₁₂ = −7, M₁₃ = 9

Desenvolvimento por cofatores

det A = (−1)·(−10) − 0·(−7) + 0·9 = 10

Resposta

det A = 10
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = −2,857

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 = 1·1 − 2·(−3) = 7

Substituir a coluna de x

det Aₓ = (−2)·1 − 2·9 = −20
x = −20/7 = −2,857

Resposta

x = −2,857
y = 0,4286
7.Equações diferenciais

Resposta: k = 0,0619 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−26k = -4/-20

Resolver para k

k = ln(-20/-4)/26 = 0,0619 min⁻¹

Resposta

k = 0,0619 min⁻¹
8.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 2,229

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 = 2, r = −0,5 ± 2j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −0,5

Calcular

y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 2 + 0,25·sin 2)) = 2,229

Resposta

y(1) = 2,229

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