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Soluções Capítulo 6 - Métodos Numéricos Engenharia Mecânica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

As soluções do capítulo 6 do componente de métodos numéricos da licenciatura em engenharia mecânica do instituto superior de engenharia de coimbra, relacionadas à análise matemática, teoria de erros e métodos numéricos de resolução de equações não lineares, interpolação polinomial e integração numérica. Inclui exemplos e soluções detalhadas de exercícios.

Tipologia: Notas de estudo

2015

Compartilhado em 29/01/2015

joao-sobral-7
joao-sobral-7 🇵🇹

4.3

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Instituto Superior de Engenharia de Coimbra
Licenciatura em Engenharia Mecˆanica
An´alise Matem´atica I
Soluc¸˜
oes do Cap
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ıtulo 6 - Componente de m´
etodos num´
ericos
Na resposta a cada exerc´ıcio ´e indicado (sempre que poss´ıvel) o valor exato ou o valor aproximado por
arredondamento com 4 c.d., utilizando nos alculos interm´edios pelo menos 6 c.d.
Introdu¸ao `a teoria dos erros
1. 3.1416 = 3.1416 ×100, 14.14 = 1.414 ×101, 0.00506 = 5.06 ×103.
2. x=π3.141592654, y=21.414213562 e z= 2/3 = 0.6(6)
(a) ¯x= 3.14, |x| 0.0016, |δ x| 0.0005 = 0.05%
¯y= 1.41, |y| 0.0042, |δy| 0.0030 = 0.3%
¯z= 0.66, |z| 0.0067, |δ z| 0.01 = 1%
(b) ¯x= 3.14, |x| 0.0016, |δ x| 0.0005 = 0.05%
¯y= 1.41, |y| 0.0042, |δy| 0.0030 = 0.3%
¯z= 0.67, |z|= 0.003(3), |δ z| 0.005 = 0.5%
3. 0.00336 0.0034
4. [0.16616(6),0.16716(6)]
5. x= 0.002246067
(a) ¯x= 0.00225
(b) ¯x= 0.002246
etodos num´ericos de resolu¸ao de equa¸oes ao lineares
etodo da Bissec¸ao e etodo de Newton-Raphson
6. etodo gr´afico:
A equa¸ao tem duas solu¸oes, uma solu¸ao no intervalo [3,2] e outra em [0,1]. A menor solu¸ao da
equa¸ao ´e aproximadamente 2.75.
7. Efetuando 3 itera¸oes do etodo da bissec¸ao, x7/8 = 0.875.
8. (a) A equa¸ao tem uma ´unica solu¸ao no intervalo [0.5,1], esta ´e aproximadamente 0.9375 efetuando 3
itera¸oes do etodo da bissec¸ao.
(b) A equa¸ao tem uma ´unica solu¸ao no intervalo [π, 3π/2], esta ´e aproximadamente 4.2215 efetuando
4 itera¸oes do etodo da bissec¸ao.
9. O umero 3
25 ´e aproximadamente 2.875, efetuando 3 itera¸oes do etodo da bissec¸ao no intervalo [2,3],
com a precis˜ao de 1 casa decimal correta.
Patr´ıcia Santos, 2014/2015 1
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Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Licenciatura em Engenharia Mecˆanica An´alise Matem´atica I

Soluc¸˜oes do Cap´ıtulo 6 - Componente de m´etodos num´ericos Na resposta a cada exerc´ıcio ´e indicado (sempre que poss´ıvel) o valor exato ou o valor aproximado por arredondamento com 4 c.d., utilizando nos c´alculos interm´edios pelo menos 6 c.d.

Introdu¸c˜ao `a teoria dos erros

  1. 3 .1416 = 3. 1416 × 100 , 14 .14 = 1. 414 × 101 , 0 .00506 = 5. 06 × 10 −^3.
  2. x = π ≈ 3 .141592654, y =

2 ≈ 1 .414213562 e z = 2/3 = 0.6(6)

(a) • x¯ = 3.14, |∆x| ≈ 0 .0016, |δx| ≈ 0 .0005 = 0.05%

  • y¯ = 1.41, |∆y| ≈ 0 .0042, |δy| ≈ 0 .0030 = 0.3%
  • z¯ = 0.66, |∆z| ≈ 0 .0067, |δz| ≈ 0 .01 = 1% (b) • x¯ = 3.14, |∆x| ≈ 0 .0016, |δx| ≈ 0 .0005 = 0.05%
  • y¯ = 1.41, |∆y| ≈ 0 .0042, |δy| ≈ 0 .0030 = 0.3%
  • z¯ = 0.67, |∆z| = 0.003(3), |δz| ≈ 0 .005 = 0.5%
    1. 00336 ≈ 0. 0034
  1. [0.16616(6), 0 .16716(6)]
  2. x = 0. 002246067

(a) ¯x = 0. 00225 (b) ¯x = 0. 002246

M´etodos num´ericos de resolu¸c˜ao de equa¸c˜oes n˜ao lineares

  • M´etodo da Bissec¸c˜ao e M´etodo de Newton-Raphson
    1. M´etodo gr´afico:

A equa¸c˜ao tem duas solu¸c˜oes, uma solu¸c˜ao no intervalo [− 3 , −2] e outra em [0, 1]. A menor solu¸c˜ao da equa¸c˜ao ´e aproximadamente − 2 .75.

  1. Efetuando 3 itera¸c˜oes do m´etodo da bissec¸c˜ao, x∗^ ≈ 7 /8 = 0.875.
  2. (a) A equa¸c˜ao tem uma ´unica solu¸c˜ao no intervalo [0. 5 , 1], esta ´e aproximadamente 0.9375 efetuando 3 itera¸c˜oes do m´etodo da bissec¸c˜ao. (b) A equa¸c˜ao tem uma ´unica solu¸c˜ao no intervalo [π, 3 π/2], esta ´e aproximadamente 4.2215 efetuando 4 itera¸c˜oes do m´etodo da bissec¸c˜ao.
  3. O n´umero 3

25 ´e aproximadamente 2.875, efetuando 3 itera¸c˜oes do m´etodo da bissec¸c˜ao no intervalo [2, 3], com a precis˜ao de 1 casa decimal correta.

  1. (a) M´etodo gr´afico:

A equa¸c˜ao tem duas solu¸c˜oes, uma solu¸c˜ao no intervalo [− 1 , 0] e outra em [0, 1]. (b) — (c) i. A solu¸c˜ao de maior valor ´e aproximadamente 0.625, efetuando 3 itera¸c˜oes do m´etodo da bissec¸c˜ao no intervalo [0, 1]. ii. O n´umero m´ınimo de itera¸c˜oes ´e n = 4.

  1. M´etodo gr´afico:

A equa¸c˜ao tem duas solu¸c˜oes, uma solu¸c˜ao no intervalo [− 1 , 0] e outra em [1, 2]. A maior solu¸c˜ao da equa¸c˜ao ´e aproximadamente 1.3698, efetuando 2 itera¸c˜oes do m´etodo de Newton-Raphson com x 0 = 2.

  1. (a) —

(b) A solu¸c˜ao ´e aproximadamente 0.3376, efetuando duas itera¸c˜oes do m´etodo de Newton-Raphson com x 0 = 0.25. O erro absoluto ´e aproximadamente 0.0007.

  1. A distˆancia pretendida ´e aproximadamente 1.5763 km, efetuando 3 itera¸c˜oes do m´etodo de Newton- Raphson com x 0 = 0.
  2. M´etodo gr´afico:

(a) M´etodo gr´afico:

A equa¸c˜ao tem duas solu¸c˜oes, uma solu¸c˜ao no intervalo [−π/ 2 , − 0 .5] e outra em [0. 5 , π/2]. (b) — (c) A solu¸c˜ao ´e aproximadamente 0.9104. (d) A solu¸c˜ao ´e aproximadamente 0.8241.

  1. (a) M´etodo gr´afico:

A equa¸c˜ao tem uma solu¸c˜ao no intervalo [1, 2]. (b) — (c) A solu¸c˜ao ´e aproximadamente 1.5571.

  1. (a) O menor n´umero de subintervalos ´e n = 4. (b) O integral ´e aproximadamente − 0 .0464. (c) T´ınhamos de considerar n = 8 subintervalos, ou seja, 9 pontos.
  2. O comprimento da curva ´e aproximadamente 24.2479.
  3. (a) J ≈ 43 .1606. (b) J ≈ 45 .9010, com um erro inferior a 24.7355 (onde M 2 = 18e^5 ).
  4. (a) J ≈ 0 .7314. (b) J ≈ 0 .7469, com n = 4 e um erro inferior a 0.0416(7).
  5. (a) p(x) = − x

3 48 +

3 x^2 16 −^

2 x 3 + 1. (b) i. S˜ao necess´arios 4 subintervalos. ii. J = 1. 2629

M´etodos num´ericos de resolu¸c˜ao de EDO - M´etodo de Euler

  1. (a) y(1) ≈ y 5 = 3.46496; (b) y(1) ≈ y 10 = 3.78122738.
  2. (a) — (b) Decorrem 1.5 segundos.
  3. Exemplo 1 (p´ag.53): ti yi y(ti) |y(ti) − yi| 0 1. 0 1. 0 0. 0
    1. 1 1. 0 1. 005346174 0. 005346173732
    2. 2 1. 011051709 1. 022877793 0. 01182608429
    3. 3 1. 035479764 1. 055098835 0. 01961907035
    4. 4 1. 075975529 1. 104905181 0. 02892965284
    5. 5 1. 135648516 1. 175639365 0. 03999084817
    6. 6 1. 21808458 1. 27115248 0. 05306789983
    7. 7 1. 327411708 1. 395874188 0. 06846247972
    8. 8 1. 468374398 1. 554891814 0. 08651741674
    9. 9 1. 646417672 1. 754039689 0. 107622017
    10. 0 1. 867781952 2. 0 0. 1322180482
    11. 1 2. 139610135 2. 300416602 0. 1608064677
    12. 2 2. 470068397 2. 664023385 0. 1939549872
    13. 3 2. 868482428 3. 100789 0. 2323065722
    14. 4 3. 345490995 3. 622079987 0. 2765889919
    15. 5 3. 91321899 4. 240844535 0. 327625545 Exemplo 2 (p´ag.54): ti yi y(ti) |y(ti) − yi| 0 2. 0 2. 0 0. 0
  4. 1 4. 208553692 4. 667685656 0. 4591319634
  5. 2 7. 340672954 8. 47565764 1. 134984686
  6. 3 11. 73456369 13. 84462271 2. 110059014
  7. 4 17. 84826497 21. 34476489 3. 496499919
  8. 5 26. 30172457 31. 74828221 5. 446557638