Equações diferenciais: exercícios com soluções passo a passo

Também chamado: equações diferenciais ordinárias · EDO

Exercícios grátis de Equações diferenciais com diagramas, dicas e soluções completas resolvidas. Valores novos a cada vez, em três níveis: crescimento e decaimento exponencial, Lei de resfriamento de Newton, lineares de primeira ordem.

Exercício gratuitoFácil
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Um sistema massa–mola–amortecedor é descrito por y″ + 4,8y′ + 4y = 0. Compare-o com y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 e encontre o coeficiente de amortecimento ζ.

y″ + 4,8y′ + 4y = 0
Próximo exercício →

O que você pratica

  1. Fácilcrescimento e decaimento exponencial
  2. MédiaLei de resfriamento de Newton
  3. Difícillineares de primeira ordem

Fórmulas principais

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

Aprenda Equações diferenciais do zero

Antes disso: Derivadas, Integrais

1O que é uma equação diferencial

Uma equação diferencial liga uma grandeza à sua própria taxa de variação. Ela descreve como algo muda, não o que é.

As bactérias se dividem, então uma colônia maior cresce mais rápido. A taxa de crescimento é proporcional ao número de células N:

dN/dt = k · N

Aqui dN/dt é a derivada de N em relação ao tempo t, e k é a constante de taxa. Com k = 0,4 h⁻¹ e N = 1000 células, a colônia cresce 400 células por hora nesse instante.

Resolver a equação significa encontrar a própria função N(t). Você também precisa de um valor inicial, como N(0) = 200. Isso se chama condição inicial.

Autoavaliação Uma população segue dN/dt = 0,2 · N. Neste momento N = 500. Com que rapidez ela cresce?
  1. 0,2 por hora
  2. 100 por hora
  3. 2500 por hora
  4. 500 por hora

Resposta: 100 por hora. Substitua os números na equação: dN/dt = 0,2 · 500 = 100. Dividir 500 por 0,2 dá 2500, o que usa k ao contrário.

2Crescimento e decaimento exponencial

A equação dy/dt = k·y sempre tem a mesma solução, uma função exponencial:

y(t) = y0 · ekt

Aqui y0 é o valor em t = 0. Um k positivo significa crescimento. Para o decaimento, a equação é dy/dt = −k·y e a solução é y = y0e−kt.

O decaimento radioativo costuma ser dado pela sua meia-vida t½: o tempo depois do qual resta metade da substância. A constante de taxa decorre dela:

k = ln 2 / t½

Para encontrar um tempo, tome o logaritmo natural dos dois lados:

t = ln(y / y0) / k

Por exemplo, 200 células crescendo com k = 0,4 h⁻¹ chegam a 1000 células depois de t = ln(5)/0,4 ≈ 4,02 h.

Autoavaliação Uma substância tem meia-vida de 10 dias. Você começa com 80 mg. Quanto resta depois de 20 dias?
  1. 0 mg
  2. 20 mg
  3. 40 mg
  4. 60 mg

Resposta: 20 mg. 20 dias são duas meias-vidas: 80 → 40 → 20 mg. 0 mg vem de pensar que duas metades formam o todo; a quantidade se divide pela metade a cada vez.

3Resfriamento e equações lineares

Lei de resfriamento de Newton: um objeto quente esfria mais rápido quando está muito mais quente que o ambiente. Com a temperatura ambiente Ta:

dT/dt = −k · (T − Ta) ⇒ T(t) = Ta + (T0 − Ta) · e−kt

A diferença T − Ta decai exponencialmente, então a temperatura tende à temperatura ambiente e nunca fica abaixo dela.

Para encontrar k a partir de uma medida, substitua os valores conhecidos e tome ln: k = −ln[(T1 − Ta)/(T0 − Ta)] / t1.

Uma equação linear de primeira ordem tem a forma y′ + p(x)·y = q(x). Multiplique-a pelo fator integrante μ:

μ = e∫p dx, (μ·y)′ = μ·q

Depois integre os dois lados e divida por μ. Para p = 2/x, μ = e2 ln x = x².

Autoavaliação Um chá a 90 °C é deixado numa sala a 20 °C. De qual temperatura ele se aproxima depois de um tempo muito longo?
  1. 0 °C
  2. 20 °C
  3. 55 °C
  4. 90 °C

Resposta: 20 °C. O termo (T0 − Ta)e−kt tende a 0, então T se aproxima de Ta = 20 °C. 0 °C seria a resposta se você esquecesse a temperatura ambiente.

4O método passo a passo

  1. Reconheça o tipo: dy/dt = ky (crescimento ou decaimento), resfriamento de Newton, ou y′ + p(x)y = q(x).
  2. Escreva a solução padrão para esse tipo.
  3. Use os dados fornecidos para encontrar as constantes: y0 a partir do início, k a partir de uma meia-vida ou de uma segunda medida.
  4. Responda à pergunta: substitua um tempo para achar um valor, ou use ln para achar um tempo.
  5. Confira as unidades de k (h⁻¹, min⁻¹) com as unidades de t.

Para uma equação linear: encontre μ, integre (μy)′ = μq, some a constante C e use a condição inicial para encontrar C.

5Um exemplo resolvido

Acompanhe cada passo. Tente prever o próximo antes de abri-lo.

Exemplo resolvido

Um traçador radioativo tem meia-vida de 8 dias. Uma amostra contém 60 mg no início. O decaimento segue dm/dt = −k·m. Quanto m resta depois de 12 dias?

1

Reconheça o tipo

Este é um decaimento exponencial, então a solução é:

m(t) = m0 · e−kt, m0 = 60 mg
2

Encontre k pela meia-vida

k = ln 2 / 8 = 0,6931 / 8 = 0,08664 dia⁻¹
3

Substitua o tempo

k · t = 0,08664 · 12 = 1,0397
m = 60 · e−1,0397 = 60 · 0,3536 = 21,21 mg
4

Verifique a resposta

12 dias são 1,5 meias-vidas. Depois de 8 dias restam 30 mg e depois de 16 dias 15 mg, então 21,2 mg fica entre eles, como esperado.

60 · 0,51,5 = 21,21 mg
tm608301615247,51221,2
Resposta

Restam m ≈ 21,2 mg depois de 12 dias.

6Erros comuns

  • Na lei de resfriamento de Newton, esquecer de subtrair e somar de volta a temperatura ambiente Ta.
  • Usar um expoente positivo para o decaimento, de modo que a quantidade cresce em vez de diminuir.
  • Usar log10 em vez do logaritmo natural ln.
  • Misturar unidades de tempo, como k em min⁻¹ com t em horas.
  • Com um fator integrante, multiplicar só o lado esquerdo por μ.
Autoavaliação Uma peça a 80 °C esfria numa sala a 20 °C. Num certo instante t, e−kt = 0,5. Qual é a temperatura dela então?
  1. 30 °C
  2. 40 °C
  3. 50 °C
  4. 60 °C

Resposta: 50 °C. T = 20 + (80 − 20) · 0,5 = 20 + 30 = 50 °C. Dividir 80 diretamente pela metade dá 40 °C, o que esquece a temperatura ambiente.

7Como são as questões de prova

  • Fácil: crescimento e decaimento exponencial. Encontre a quantidade após um tempo, ou o tempo para atingir uma quantidade, muitas vezes a partir de uma meia-vida.
  • Médio: lei de resfriamento de Newton. Use uma medida para encontrar k e depois encontre uma temperatura ou um tempo.
  • Difícil: uma equação linear de primeira ordem como y′ + 2y/x = 3 com y(1) = 1. Use o fator integrante e encontre y em outro x.

Uma verificação rápida: as respostas de decaimento e de resfriamento devem ficar entre o valor inicial e o valor final (0, ou a temperatura ambiente).

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Exemplos resolvidos

Exemplo 1Fácil
rr² + br + c?

Para a equação y″ + 4y′ + 3y = 0, encontre a raiz r da equação característica mais próxima de zero. Ela define com que lentidão a solução se extingue.

y″ + 4y′ + 3y = 0

Calcule r

Mostrar dicas
  1. Substitua y = ert.
  2. r² + 4r + 3 = 0.
  3. Fatore-a ou use a fórmula quadrática.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

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.

Equação característica

r² + 4r + 3 = (r + 1)(r + 3) = 0

Raízes

r = −1, r = −3
mais próxima de zero: r = −1

Resposta

r = −1

A solução geral é y = A·e−1t + B·e−3t.

Exemplo 2Média
t (min)T (°C)5Ta​73 °C50 °C

Uma xícara de café a 81 °C é deixada em uma sala a 21 °C. Após 5 min sua temperatura é 73 °C. Ela segue a lei de resfriamento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo após o início, t, leva para chegar a 50 °C?

T0 = 81 °CTa = 21 °CT(5) = 73 °CT = 50 °C

Calcule t (min)

Mostrar dicas
  1. Primeiro encontre k pela medição em t = 5 min.
  2. k = ln(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹.
  3. t = ln((T₀ − Tₐ)/(T − Tₐ))/k.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

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(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹

Tempo até atingir o valor desejado

t = ln(60/29)/0,02862 = 25,4 min

Resposta

t = 25,4 min
Exemplo 3Difícil
ty1y(1) = ?

Resolva y′ + y = 4e−2t com y(0) = 4. Encontre y(1).

y′ + y = 4e−2ty(0) = 4

Calcule y(1)

Mostrar dicas
  1. O fator integrante é μ = et.
  2. (ety)′ = 4e−t → ety = 4/(−1)·e−t + C.
  3. y = −4·e−2t + C·e−t. Use y(0) para encontrar C.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

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 = et
(ety)′ = 4e−t

Solução geral

y = 4/(−1)·e−2t + C·e−t = −4·e−2t + C·e−t

Condição inicial

4 = −4 + C → C = 8

Calcular

y(1) = −4·0,1353 + 8·0,3679 = 2,402

Resposta

y(1) = 2,402

Perguntas e respostas

Equações diferenciais: o que é?

Uma equação diferencial liga uma grandeza à sua própria taxa de variação. Ela descreve como algo muda, não o que é.

As bactérias se dividem, então uma colônia maior cresce mais rápido. A taxa de crescimento é proporcional ao número de células N:

Equações diferenciais: como resolver os exercícios passo a passo?

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.

Equações diferenciais: quais são os erros mais comuns?
  • Essa é a outra raiz, mais distante de zero; o termo dela se extingue mais rápido.
  • r² + br + c = 0 com b e c positivos tem raízes negativas.
  • −b/2 é o ponto médio das raízes, e não uma raiz.
Equações diferenciais: o que se pratica?
  • Fácil: crescimento e decaimento exponencial
  • Média: Lei de resfriamento de Newton
  • Difícil: lineares de primeira ordem

Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta. Travou? Abra primeiro uma dica pequena, e a explicação completa só quando precisar.

Como a prática funciona

  • Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta.
  • Travou? Abra primeiro uma dica pequena, e a explicação completa só quando precisar.
  • Seu progresso, seus erros e seus exercícios salvos ficam guardados, para você revisar antes da prova.

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