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CÁLCULO NUMÉRICO Aula 3 – Solução de equações transcendentes e polinomiais SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO CONTEÚDO PROGRAMÁTICO DESTA AULA Métodos numéricos para resolução de equações: Método do intervalo (bissecção); Método da falsa posição. SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES • Métodos numéricos para resolução de equações da forma f(x) = 0; • Resolver a equação f(x) = 0 consiste em determinar a solução (ou soluções) c tal que f( c ) = 0; • Métodos iterativos são desenvolvidos para determinar aproximadamente essa solução real c; SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO RAÍZES REAIS- GRÁFICO As raízes reais são os valores de x para os quais y é nulo, ou seja, a interseção do gráfico com o eixo x. x y SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO MÉTODO ITERATIVO NA SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES Dada a função contínua, f(x) num intervalo I determinar uma raiz α ∈ I da equação f(x)=0 com precisão escolhida. A partir de um valor inicial ou de um intervalo, iterações sucessivas são realizadas até que a diferença entre duas “candidatas” a raiz tenha diferença menor que a precisão determinada. • Equação f(x) = 0 • Valor inicial xo e tolerância e; • Fórmula de recorrência que gera x1, x2,..xk; • Critério de parada (xi+1- xi e); • f(xk) 0. SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO TEOREMA DE BOLZANO Considere um intervalo (a,b) do domínio da função f(x). • Se f(a).f(b) > 0, existe um número par de raízes reais no intervalo (a,b); • Se f(a).f(b) < 0, existe um número ímpar de raízes reais no intervalo (a,b). x y a b f(a) f(b) SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO MÉTODO DA BISSECÇÃO O Método da Bisseção determina uma raiz x de uma função f(x) num intervalo [xa,xb] R onde f(xa)*f(xb)<0. A ideia é diminuir o intervalo através de repetidas divisões ao meio do intervalo [xa,xb] , de tal forma que o valor de xa tenda ao valor de xb, ou seja, que a raiz c xa xb e que f(c) seja aproximadamente nula dentro de uma certa tolerância e. SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO MÉTODO DA BISSECÇÃO – ANÁLISE GRÁFICA x y xa xb f(xa) f(xb) xm1 xm2 xm3 c SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO APLICANDO CONHECIMENTO – EX. 1 Seja a função f(x) = x2 – 3. Determinar a raiz positiva com tolerância de 0,1. SOLUÇÃO: • Equação: x2 – 3 = 0; • f(0) = -3 e f( 2) = 1. Existe uma raiz real em [0,2]; • Xm = (0+2)/2 = 1 • f(1) = -2 • f(1).f(2) < 0. Então a raiz está no intervalo [1,2] • Xm = (1+2)/2 = 1,5 (1,5 – 1 = 0,5 > 0,1) SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO • f(1,5) = -0,75 • f(1,5).f(2) < 0. Então a raiz está no intervalo [1,5;2] • Xm = (1,5+2)/2 = 1,75 (1,75 – 1,5 = 0,25>0,1); • f(1,75) = 0,0625 • f(1,5).f(1,75)< 0. Então a raiz está no intervalo [1,5;1,75] • Xm = (1,5+1,75)/2 = 1,625 (1,75 – 1,625 = 0,125>0,1); • f(1,625) = -0,360 • f(1,625).f(1,75)< 0. Raiz está no intervalo [1,625;1,75] • Xm = (1,625+1,75)/2 = 1,6875 (1,75 – 1,625 = 0,125>0,01); SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO APLICANDO CONHECIMENTO – EX. 2 • f(1,6875) = -0,1523 • f(1,69).f(1,75) < 0. Então a raiz está no intervalo [1,69;1,75] • Xm = (1,69+1,75)/2 = 1,72 (1,72 – 1,69 = 0,03 < 0,1); Raiz aproximada é 1,72. Determine a raiz da função f(x) = ex – 3x localizada no intervalo [0; 1], com erro de 0,01 SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO • f(0) = 1 e f(1) = -0,28172. Assim, f(0). f(1) < 0 • Xm = (0 + 1)/2 = 0,5 • f(0,5) = 0,14872 • f(0,5).f(1) < 0. Então a raiz está no intervalo [0,5;1] • Xm = (0,5+1)/2 = 0,75 (0,75 – 0,5 = 0,25 > 0,01); • f(0,75) = - 0,13300 • f(0,5).f(0,75) < 0. Então a raiz está no intervalo [0,5;0,75] • Xm = (0,5+0,75)/2 = 0,625 (0,75 – 0,625 = 0,125 > 0,01); • f(0,625) = -0,00675. • f(0,5).f(0,625) < 0. Raiz está no intervalo [0,5;0,625] SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO • xm = (0,5 + 0,625)/2 = 0,5625 (0,625 – 0,5625 = 0,0625 >0,01) • f(0,5625) = 0,06755 • f(0,5625).f(0,625) < 0. Raiz está no intervalo [0,5625;0,625] • xm = (0,5625+0,625)/2 = 0,59375 (0,59375 – 0,5625 = 0,03125 > 0,01); • f(0,59375) = 0,02952 • f(0,59375).f(0,625) < 0. Raiz está no intervalo [0,59375;0,625] • Xm = (0,59375+0,625)/2 = 0,61 (0,61 – 0,60 = 0,01) SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO Início (ALGORITMO BISSEÇÃO) Faça xm = (xa + xb)/2 Se f(xa).f(xm) < 0 então xb xm Senão xa xm Fim se Até que f(xm) < tolerância Fim SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO MÉTODO DA FALSA POSIÇÃO (DAS CORDAS) • A estimativa do zero da função Y=f(X) é feita a partir da reta secante que une os pares extremos (a,f(a)) e (b,f(b)) do intervalo analisado; • O ponto em que essa reta secante intercepta o eixo das abscissas corresponde à estimativa do zero da função; • Se o valor estimado não atender à tolerância estabelecida para o problema redefine-se o intervalo de estudo, repetindo-se a estratégia até que a tolerância seja verificada. SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO MÉTODO DA FALSA POSIÇÃO – ANÁLISE GRÁFICA x y a b f(a) f(b) raiz estimativa SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO FÓRMULA DE RECORRÊNCIA • Equação da reta: •Na interseção y = 0 ).( )()( )( bx ab afbf bfy )()( )(.)(. ).( )()( )(0 afbf afbbfa x bx ab afbf bf SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO APLICANDO O CONHECIMENTO – EX. 3 Seja a função f(x) = x2 – 3. Determinar a raiz positiva com tolerância de 0,1. SOLUÇÃO: • Equação: x2 – 3 = 0; • a = 0; b = 2; f(a=0) = -3 e f(b= 2) = 1; • X = (0.1 – 2.(-3))/(1-(-3)) = 1,5 • f(1,5) =-0,75 • f(1,5).f(2) < 0. Então a raiz está no intervalo [1,5;2] SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO APLICANDO O CONHECIMENTO – EX. 3 • X = (1,5.1 – 2.(-0,75)/(1-(-0,75)) = 1,714 (1,714 – 1,5 = 0,214 > 0,1) • f(1,714) = -0,0622 • f(1,714).f(2) < 0. Então a raiz está no intervalo [1,714;2] • X = (1,714.1 – 2.(-0,0622)/(1-(-0,0622)) = 1,730 (1,730 - 1,714 = 0,016 < 0,1) SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO Início (ALGORITMO FALSA POSIÇÃO) Faça Se f(a).f(xe) < 0 então b xe Senão a xe Fim se Até que f(xe) < tolerância Fim )()( )(.)(. afbf afbbfa xe SOLUÇÃO DE EQUAÇÕES TRANSCENDENTES E POLINOMIAIS CÁLCULO NUMÉRICO RESUMINDO Nesta aula vocês estudaram: Dois métodos numéricos para resolução de equações: Método do intervalo (bissecção); Método da falsa posição. Algoritmos dos métodos.
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