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
Aproxime ∫01 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, 1]n = 2
|E| =
2.Métodos numéricosDifícil
Use o método de Euler com h = 0,25 para y′ = t − y, y(0) = 2 para estimar y5 ≈ y(1,25).
y′ = t − yy(0) = 2h = 0,25
y5 =
3.Sequências e sériesMédia
Exatamente uma das quatro séries converge. Clique nela.
A: Σ k/3ᵏB: Σ (3/2)ᵏC: Σ 3ᵏ/k³D: Σ 3/k
1A: Σ k/3ᵏ
2B: Σ (3/2)ᵏ
3C: Σ 3ᵏ/k³
4D: Σ 3/k
4.Sequências e sériesDifícil
f(x) = ln(1 + x) é aproximada pelo seu polinômio de Maclaurin de grau 3 em x = 0,3. Use a cota de erro de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! com M = 3! = 6 para encontrar o maior erro possível |R₃|.
f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,3M = 6
|R₃| =
5.Matrizes e determinantesMédia
Seja C = AB para as matrizes apresentadas. Calcule o elemento c11 (linha 1, coluna 1).
A = [4 −6; 1 −4]B = [4 0; 1 5]
c11 =
6.Matrizes e determinantesDifícil
Calcule o maior valor próprio λ da matriz A apresentada.
A = [4 3; −1 0]
λ =
7.Equações diferenciaisMédia
Uma xícara de café a 93 °C é deixada em uma sala a 21 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Com k = 0,09 min⁻¹, encontre a sua temperatura T após 21 min.
T0 = 93 °CTa = 21 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 21 min
T = °C
8.Equações diferenciaisDifícil
Um sistema obedece a y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5 para t ≥ 0, partindo do repouso: y(0) = 0, y′(0) = 0. Encontre o valor de pico ymax da sua resposta ao degrau.
y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3Soluções
1.Métodos numéricos
Resposta: |E| = 0,0001645
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 = 0,459698
Regra de Simpson
S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862
Erro
|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645
Resposta
|E| = 0,0001645
Erro relativo: 0,03578%.
2.Métodos numéricos
Resposta: y5 = 0,9619
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 = 2 + 0,25·(−2) = 1,5
y₂ = 1,5 + 0,25·(−1,25) = 1,1875
y₃ = 1,1875 + 0,25·(−0,6875) = 1,015625
y₄ = 1,015625 + 0,25·(−0,265625) = 0,949219
y₅ = 0,949219 + 0,25·(0,0507813) = 0,961914
Gráfico
y5 = 0,9619
Resposta
y5 = 0,9619
O valor exato é y(1,25) = 1,109514.
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 = 1/3 < 1, converge.
B: Σ (3/2)ᵏ → Geométrica com r = 3/2 > 1: os termos crescem, então diverge.
C: Σ 3ᵏ/k³ → Teste da razão: L = 3 > 1, diverge.
D: Σ 3/k → Um múltiplo da série harmônica (p = 1): diverge.
A resposta
A: Σ k/3ᵏ
Resposta
A: Σ k/3ᵏ
4.Sequências e séries
Resposta: |R₃| = 0,002025
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.
Cota para a derivada
M = 3! = 6
Cota de Lagrange
|R₃| ≤ 6·0,3⁴/4! = 0,002025
Resposta
|R₃| = 0,002025
O erro verdadeiro é menor: |f(0,3) − P₃(0,3)| = 0,001636.
5.Matrizes e determinantes
Resposta: c11 = 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.
Linha vezes coluna
c11 = 4·4 + (−6)·1 = 10
Resposta
c11 = 10
6.Matrizes e determinantes
Resposta: λ = 3
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 − (4)λ + (3) = 0
Resolva
λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3
Resposta
λ = 3
7.Equações diferenciais
Resposta: T = 31,88 °C
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.
Solução da lei de resfriamento
T(t) = 21 + 72·e−0,09t
Substituir t
T(21) = 21 + 72·0,1511 = 31,88 °C
Resposta
T = 31,88 °C
8.Equações diferenciais
Resposta: ymax = 2,779
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.