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
xy00,511,52

Aproxime ∫02 e−x² dx com a regra do trapézio usando n = 4 faixas. Dê T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 4
T =
2.Métodos numéricosDifícil
00,511,52−10ty(0, −1)

Use o método de Euler com h = 0,5 para y′ = cos t − y, y(0) = −1 para estimar y4 ≈ y(2).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y4 =
3.Sequências e sériesMédia
kSn​12345678910S = ?

Encontre a soma S = Σk=1∞ 6/(k(k + 2)).

ak = 6/(k(k + 2))
S =
4.Sequências e sériesDifícil

Encontre o coeficiente c₂ de (x − 2)² na série de Taylor de f(x) = 1/x em torno de a = 2.

f(x) = 1/xa = 2k = 2
c₂ =
5.Matrizes e determinantesMédia
A =−64−45B =1−2−1−6

Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c21 (linha 2, coluna 1).

A = [−6 4; −4 5]B = [1 −2; −1 −6]
c21 =
6.Matrizes e determinantesDifícil
A =4−24−4b =44

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

4x − 2y = 44x − 4y = 4
x =
7.Equações diferenciaisMédia
tyy(0) = 3y(1) = ?

Resolva y″ + 6y′ + 9y = 0 com y(0) = 3 e y′(0) = 0. Encontre y(1).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1) =
8.Equações diferenciaisDifícil
tyK = 10ymax​ = ?

Um sistema obedece a y″ + 2y′ + 17y = 170 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.

y″ + 2y′ + 17y = 170y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Soluções

1.Métodos numéricos

Resposta: T = 0,8806

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)peso001110,50,7788012210,367879231,50,1053992420,01831561

Nós e valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,778801 + 2·0,367879 + 2·0,105399 + 0,0183156 = 3,522475

Regra do trapézio

T = (0,5/2)·3,522475 = 0,8806

Resposta

T = 0,8806

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

2.Métodos numéricos

Resposta: y4 = 0,2801

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₊₁00−12010,500,8775830,438791210,4387910,1015110,48954731,50,489547−0,418810,280142

Passos de Euler

y₁ = −1 + 0,5·(2) = 0
y₂ = 0 + 0,5·(0,877583) = 0,438791
y₃ = 0,438791 + 0,5·(0,101511) = 0,489547
y₄ = 0,489547 + 0,5·(−0,41881) = 0,280142
00,511,52−10ty

Gráfico

y4 = 0,2801

Resposta

y4 = 0,2801
3.Sequências e séries

Resposta: S = 4,5

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.

Frações parciais

6/(k(k + 2)) = (6/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Cancelar

S = (6/2)·(1 + 1/2) = 4,5

Resposta

S = 4,5
4.Sequências e séries

Resposta: c₂ = 0,125

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 2/x³

Coeficiente

c₂ = 2/(2³·2) = 0,125
c₂ = 0,125

Resposta

c₂ = 0,125
5.Matrizes e determinantes

Resposta: c21 = −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

c21 = (−4)·1 + 5·(−1) = −9

Resposta

c21 = −9
6.Matrizes e determinantes

Resposta: x = 1

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·(−4) − (−2)·4 = −8

Substituir a coluna de x

det Aₓ = 4·(−4) − (−2)·4 = −8
x = −8/(−8) = 1

Resposta

x = 1
y = 0
7.Equações diferenciais

Resposta: y(1) = 0,5974

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.

Raiz dupla

(r + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 9 = 9

Calcular

y(1) = (3 + 9·1)·e−3 = 0,5974

Resposta

y(1) = 0,5974
8.Equações diferenciais

Resposta: ymax = 14,56

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 ± 4j

Constantes a partir dos valores iniciais

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −2,5

Pico

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1·π/4) = 14,56

Resposta

ymax = 14,56

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