Métodos numéricos: exercícios com soluções passo a passo

Exercícios grátis de Métodos numéricos com diagramas, dicas e soluções completas resolvidas. Valores novos a cada vez, em três níveis: raízes e interpolação, regras do trapézio e de Simpson, Euler, Heun e Runge–Kutta.

Exercício gratuitoFácil
xyx₀ = 0

Aplique Newton–Raphson a f(x) = e−x − x com o valor inicial x₀ = 0. Encontre x2.

f(x) = e−x − xf′(x) = −e−x − 1x₀ = 0
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O que você pratica

  1. Fácilraízes e interpolação
  2. Médiaregras do trapézio e de Simpson
  3. DifícilEuler, Heun e Runge–Kutta

Como resolver exercícios de Métodos numéricos

  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.

Erros comuns

  • Manter a metade errada do intervalo da bissecção, ou contar os passos errado.
  • Escrever x − f′/f em vez de x − f/f′ em Newton–Raphson.
  • Dar peso 1 aos nós interiores na regra do trapézio, ou usar Simpson com um número ímpar de faixas.
  • Arredondar os iterados cedo demais.
  • Dar um passo de Euler a menos ou a mais para chegar ao tempo final.

Fórmulas principais

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)

Aprenda Métodos numéricos do zero

Antes disso: Derivadas, Integrais, Equações diferenciais

1Por que métodos numéricos, e a bissecção

Muitas equações e integrais não têm fórmula para a resposta: x = cos x, ∫e−x²dx, ou a maioria das equações diferenciais. Os métodos numéricos calculam a resposta passo a passo com a precisão que você precisar.

O método da bissecção encontra uma raiz de f(x) = 0 num intervalo [a, b] em que f muda de sinal. Tome o ponto médio c = (a + b)/2 e mantenha a metade em que o sinal ainda muda.

Exemplo: f(x) = x² − 2 em [1, 2]. c₁ = 1,5 dá f = 0,25 > 0, então mantenha [1; 1,5]. c₂ = 1,25 dá f = −0,4375 < 0, então mantenha [1,25; 1,5]. Depois c₃ = 1,375.

Cada passo divide o intervalo ao meio, então após n passos a sua largura é (b − a)/2ⁿ. A bissecção é lenta, mas sempre funciona quando há uma mudança de sinal.

Autoavaliação A bissecção começa num intervalo de comprimento 1. Qual é a largura do intervalo após 10 passos?
  1. 1/100
  2. 1/1024
  3. 1/10
  4. 1/20

Resposta: 1/1024. Cada passo o divide ao meio: 1/2¹⁰ = 1/1024 ≈ 0,001. Dividir por 10 ou por 20 trata a divisão ao meio como se fosse aditiva.

2Newton–Raphson

O método de Newton–Raphson segue a reta tangente até o eixo x e usa esse cruzamento como o próximo palpite:

xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
xx₀ = 2x₁ = 1,5√2f(x) = x² − 2

Para f(x) = x² − 2 com f′(x) = 2x e x₀ = 2: x₁ = 2 − 2/4 = 1,5, x₂ = 1,5 − 0,25/3 = 1,416667, x₃ = 1,414216. A raiz é √2 = 1,414214.

Perto da raiz, Newton aproximadamente dobra o número de algarismos corretos a cada passo. Ele pode falhar quando f′(xₙ) está próximo de 0, ou quando o ponto inicial está longe da raiz.

Mantenha pelo menos seis algarismos em cada iterado; arredondar cedo impede que o método melhore.

Autoavaliação Um passo de Newton para f(x) = x² − 5 a partir de x₀ = 2 dá…
  1. 1,75
  2. 2,25
  3. 2,2
  4. 2,5

Resposta: 2,25. f(2) = −1 e f′(2) = 4, então x₁ = 2 − (−1)/4 = 2,25. Somar −1/4 em vez de subtraí-lo dá 1,75.

3Interpolação linear

As tabelas dão valores apenas em certos pontos. A interpolação linear traça uma reta entre os dois pontos vizinhos da tabela:

y = y₁ + (y₂ − y₁)·(x − x₁)/(x₂ − x₁)

Exemplo: a tabela dá f(1) = 2,0 e f(2) = 2,6. Em x = 1,4 a fração é 0,4, então f(1,4) ≈ 2,0 + 0,6·0,4 = 2,24.

A interpolação inversa funciona do mesmo modo no sentido contrário: para encontrar onde y = 2,3, a fração é (2,3 − 2,0)/0,6 = 0,5, então x ≈ 1,5.

4Regra do trapézio e regra de Simpson

Para integrar f de a até b, divida o intervalo em n faixas de largura h = (b − a)/n com nós x₀, x₁, …, xₙ.

A regra do trapézio substitui a curva em cada faixa por uma reta. Cada nó interior pertence a duas faixas, então conta duas vezes:

T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]
0,51y = x²x

A regra de Simpson ajusta parábolas por três nós de cada vez. Ela exige n par:

S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]

Para ∫01 x² dx = 1/3 com n = 2 (h = 0,5): T = 0,25·(0 + 0,5 + 1) = 0,375, enquanto S = (0,5/3)·(0 + 1 + 1) = 0,3333, exato.

O erro do trapézio diminui como h² e o de Simpson como h⁴: reduzir h à metade torna Simpson cerca de 16 vezes mais preciso.

Autoavaliação Que pesos a regra do trapézio dá aos nós x₀, x₁, x₂, x₃?
  1. 1, 1, 1, 1
  2. 1, 2, 2, 1
  3. 1, 4, 2, 1
  4. 1, 4, 4, 1

Resposta: 1, 2, 2, 1. Os dois pontos das extremidades pertencem a uma faixa e os pontos interiores a duas, então 1, 2, 2, 1 com o fator h/2. Os 4 pertencem à regra de Simpson.

5Euler e Heun para equações diferenciais

Para y′ = f(t, y) com y(t₀) = y₀, avance no tempo com um passo h. O método de Euler usa a inclinação no início de cada passo:

yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)

O método de Heun (Euler melhorado) prevê com Euler e depois faz a média das inclinações nas duas extremidades: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).

O erro de Euler é proporcional a h, o de Heun a h². O método clássico de Runge–Kutta (RK4) usa quatro inclinações e é preciso até h⁴.

Exemplo resolvido

Resolva y′ = y, y(0) = 1 com o método de Euler e h = 0,1 até t = 0,3, e compare com a solução exata eᵗ.

1

Passo 1

y₁ = 1 + 0,1·1 = 1,1
2

Passo 2

y₂ = 1,1 + 0,1·1,1 = 1,21
3

Passo 3

y₃ = 1,21 + 0,1·1,21 = 1,331
4

Compare

O valor exato é e0,3 = 1,349859, então o erro global é 0,0189. Um passo de Heun a partir de y₀ daria 1 + 0,05·(1 + 1,1) = 1,105 contra e0,1 = 1,105171.

Resposta

y(0,3) ≈ 1,331 com Euler; o erro 0,019 diminui aproximadamente em proporção a h.

6Erros comuns e questões de prova

  • Contar o primeiro ponto médio da bissecção como passo 0, ou manter a metade errada do intervalo.
  • Escrever x − f′/f em vez de x − f/f′ no método de Newton.
  • Esquecer o fator 2 nos nós interiores, ou usar h em vez de h/2 na regra do trapézio.
  • Usar a regra de Simpson com um número ímpar de faixas.
  • No método de Euler, usar a inclinação no fim do passo, ou dar um passo a menos.

Fácil: bissecção, iterações de Newton e interpolação numa tabela. Médio: as regras do trapézio e de Simpson, seu erro e o número de faixas necessário. Difícil: passos de Euler, Heun e Runge–Kutta para equações diferenciais.

Autoavaliação y′ = 2y com y(0) = 1. O que dá um passo de Euler com h = 0,2?
  1. 1,2
  2. 1,49
  3. 1,4
  4. 2,4

Resposta: 1,4. y₁ = 1 + 0,2·(2·1) = 1,4. Esquecer o fator 2 na inclinação dá 1,2; 1,49 é o valor exato e0,4.

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Exemplos resolvidos

Exemplo 1Fácil

O método da bissecção começa num intervalo de comprimento 4. Cada passo divide o intervalo ao meio. Quantos passos n são necessários, no mínimo, para que o intervalo fique menor que 0,0001?

b − a = 4ε = 0,0001

Calcule n

Mostrar dicas
  1. Após n passos o intervalo tem comprimento (b − a)/2ⁿ.
  2. Resolva 4/2ⁿ < 0,0001, portanto 2ⁿ > 40000.
  3. n > log₂(40000) = 15,29
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Raízes e interpolação: a bissecção mantém um intervalo [a, b] em que f muda de sinal; a cada passo toma o ponto médio c = (a + b)/2 e mantém a metade em que o sinal ainda muda, de modo que após n passos o intervalo tem largura (b − a)/2ⁿ. O método de Newton–Raphson segue a reta tangente até o eixo: xn+1 = xn − f(xn)/f′(xn); perto de uma raiz simples ele aproximadamente dobra o número de dígitos corretos a cada passo. Interpolação linear entre dois pontos de uma tabela: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁).

Condição

4/2ⁿ < 0,0001 → 2ⁿ > 40000

Logaritmo

n > ln(40000)/ln 2 = 15,29
n = 16

Verificação

2¹⁵ = 32768 < 40000 < 2¹⁶ = 65536

Resposta

n = 16
Exemplo 2Média
xy00,511,5

Aproxime ∫01,5 √(1 + x³) dx com a regra do trapézio usando n = 3 faixas. Dê T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3

Calcule T

Mostrar dicas
  1. h = (1,5 − 0)/3 = 0,5; os nós são 0, 0,5, 1, 1,5.
  2. Pesos: 1, 2, 2, …, 2, 1; T = (h/2)·Σ wᵢfᵢ.
  3. A soma ponderada é Σ wᵢfᵢ = 8,041398.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

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)peso001110,51,060662211,414214231,52,091651

Nós e valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,06066 + 2·1,414214 + 2,09165 = 8,041398

Regra do trapézio

T = (0,5/2)·8,041398 = 2,01

Resposta

T = 2,01

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

Exemplo 3Difícil
00,10,20,30,40,40,60,81ty(0, 0,5)

Use o método de Heun (Euler melhorado) com h = 0,2 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 para estimar y2 ≈ y(0,4).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2

Calcule y2

Mostrar dicas
  1. A cada passo: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂).
  2. Passo 1: k₁ = 1, k₂ = 1,139543, y₁ = 0,713954.
  3. São necessários 2 passos para chegar a t = 0,4.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

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₊₁000,511,1395430,71395410,20,7139541,1423061,3681010,964995

Passos de Heun

y₁ = 0,5 + (0,2/2)(1 + 1,139543) = 0,713954
y₂ = 0,713954 + (0,2/2)(1,142306 + 1,368101) = 0,964995
00,10,20,30,40,40,60,81ty

Gráfico

y2 = 0,965

Resposta

y2 = 0,965

Perguntas e respostas

Métodos numéricos: o que é?

Muitas equações e integrais não têm fórmula para a resposta: x = cos x, ∫e−x²dx, ou a maioria das equações diferenciais. Os métodos numéricos calculam a resposta passo a passo com a precisão que você precisar.

O método da bissecção encontra uma raiz de f(x) = 0 num intervalo [a, b] em que f muda de sinal. Tome o ponto médio c = (a + b)/2 e mantenha a metade em que o sinal ainda muda.

Métodos numéricos: como resolver os exercícios passo a passo?
  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.
Métodos numéricos: quais são os erros mais comuns?
  • Manter a metade errada do intervalo da bissecção, ou contar os passos errado.
  • Escrever x − f′/f em vez de x − f/f′ em Newton–Raphson.
  • Dar peso 1 aos nós interiores na regra do trapézio, ou usar Simpson com um número ímpar de faixas.
  • Arredondar os iterados cedo demais.
  • Dar um passo de Euler a menos ou a mais para chegar ao tempo final.
Métodos numéricos: o que se pratica?
  • Fácil: raízes e interpolação
  • Média: regras do trapézio e de Simpson
  • Difícil: Euler, Heun e Runge–Kutta

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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