Trabalho Computacional. A(h) = V h + 2 V π h, (1)

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Rita Cerveira Clementino
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1 Unidade de Ensino de Matemática Aplicada e Análise Numérica Departamento de Matemática/Instituto Superior Técnico Matemática Computacional (Mestrado em Engenharia Física Tecnológica) 2014/2015 Trabalho Computacional I Numa refinaria será instalado um tanque cilíndrico, com base de raio r e altura h. Admite-se que a espessura do tanque é negligenciável e que a sua superfície superior é aberta. 1) Pretende-se minimizar a área do cilindro, ou seja, a área da sua base mais a área da parede lateral. Sabe-se que há apenas três possibilidades para escolher o volume V de líquido a introduzir no tanque até este estar completamente cheio, conforme os dados na segunda coluna da Tabela 1. (a) Levando em consideração que V pode escrever-se em função de r e h, mostre que a soma A das áreas da base e da parede lateral do cilindro se pode exprimir em função de h como onde se supõe que V é dado. A(h) = V h + 2 V π h, (1) (b) A partir da função A(h) dada em (1), e efectuando cálculos exactos, determine para cada valor de V, dado na Tabela 1, a altura h e a respectiva área mínima pretendida A min, completando as terceira e quarta colunas da referida tabela. Em cada caso diga, justificando, se o valor mínimo que calculou é único. Os valores exactos de h e A min, que calculou, serão posteriormente aproximados mediante aplicação de métodos numéricos especificados adiante. 2) Para cada um dos valores de V da Tabela 1, considere um método iterativo gerado pela função iteradora V g(h) = π h. (2) (a) Mostre graficamente que num certo intervalo [a, b], que deverá escolher, a função g possui um único ponto fixo. (b) É ou não verdade que cada um dos valores de h que calculou analiticamente em 1(b) é ponto fixo da função g? (c) Para cada intervalo [a, b] que considerou na alínea 2 (a) e para a função g em (2), são válidas as hipóteses que conhece do teorema do ponto fixo? Justifique. (d) Respectivamente para V = 2000, V = 5000 e V = 10000, como classifica o ponto fixo de g (como atractor, repulsor ou neutro)? Justifique. (e) Para cada valor de V da Tabela 1 e para os valores iniciais respectivamente h (0) = 15 e h (0) = 40, efectue 5 iterações do processo h (k+1) = g(h (k) ). Os resultados numéricos que obteve estão de acordo com o que se espera teoricamente? Justifique.

2 Tanque V (m 3 ) h A min A 2000 B 5000 C Tabela 1: 3 (a) Para cada valor de V da Tabela 1, aproxime o respectivo valor de h associado a A min, usando uma função iteradora para a qual possa garantir convergência supralinear e monótona. Justifique a escolha que fizer referindo condições que lhe permitam garantir esse tipo de convergência. Em cada caso, diga quantos algarismos significativos possui a aproximação mais precisa que obtiver para a respectiva área A min. 3 (b) Sendo (h (k) ) k 0 a sucessão de iteradas que, em cada caso, considerou na alínea anterior e p a respectiva ordem de convergência, obtenha uma tabela dos quocientes h (k+2) h (k+1) (h (k+1) h (k) ) p, k = 0,..., 3 Há alguma relação entre os valores numéricos que obteve para os quocientes e a constante assimptotica de convergência k do método iterativo que adoptou? Justifique. II 1) Seja z (a, b) um zero de uma função f C 2 ([a, b]) tal que f(a) < 0, f(b) > 0, f (x) > 0, f (x) > 0 x [a, b], (3) e considere o método de Newton-Fourier para a aproximação numérica de z: x 0 = b, y 0 = a, x n+1 = x n f(x n) f (x n ), y n+1 = y n f(y n),, n = 0, 1,... f (x n ) (a) Prove que x n > x n+1 > z, n 0, i.e. mostre que a sucessão {x n } é monótona decrescente e inferiormente limitada por z (b) Prove que y n < y n+1 < z, n 0, i.e. mostre que a sucessão {y n } é monótona crescente e superiormente limitada por z. (c) Conclua que lim x n = z, n lim y n = z. n

3 2) Considere a função f(x) = ln(1 + 2 e 2x ) + 2 x. (a) Prove que a equação f(x) = 0 tem um e um só zero real, z ( 1, 0 ). f (x) > 0, f (x) > 0 x R. Mostre ainda que (b) Aproxime z pelo método de Newton-Fourier. Considere x 0 = 0, y 0 = 1 e utilize o critério de paragem x n y n (c) Analise, com base nos resultados obtidos, a ordem de convergência da sucessão {d n } em que d n = x n y n. 3) Tente aproximar as quatro raízes reais de f(x) = x 2 2 sin (2π x) + 1 pelo método de Newton- Fourier. Observe que o método deve ser modificado caso as condições (3) não sejam satisfeitas. III Conhecidas as coordenadas S i = (x i, y i, z i ), para i = 1,..., 4, de quatro satélites, bem como as distâncias d i entre cada satélite e um ponto P = (x, y, z) na superfície da Terra, sabe-se que através de um sistema GPS podem ser obtidas aproximações das coordenadas de P. Suponha que para determinados satélites são dadas as coordenadas de S i e os tempos t i de trânsito do sinal entre cada satélite e um receptor GPS colocado em P, conforme os dados nas tabelas 2 e 3. Sendo. a norma euclidiana, as coordenadas x, y, z do ponto P podem ser obtidas resolvendo o sistema de equações S 1 P 2 = d 2 1 S 2 P 2 = d 2 2 S 3 P 2 = d 2 3 S 4 P 2 = d 2 4. Designando por c a velocidade da luz e por δ certa correcção (desconhecida) a adicionar aos tempos de trânsito, o sistema anterior pode ser escrito na forma 1, (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 + (z z 1 ) 2 = c 2 (t 1 + δ) 2 (x x 2 ) 2 + (y y 2 ) 2 + (z z 2 ) 2 = c 2 (t 2 + δ) 2 (x x 3 ) 2 + (y y 3 ) 2 + (z z 3 ) 2 = c 2 (t 3 + δ) 2 (x x 4 ) 2 + (y y 4 ) 2 + (z z 4 ) 2 = c 2 (t 4 + δ) 2. Fazendo c = m/s e utilizando os dados tabelados, pretende-se determinar as coordenadas de um ponto P bem como o parâmetro δ satisfando o sistema (4). Sabe-se que X (0) = (x (0), y (0), z (0), δ (0) ) = ( , , , 1/2), embora grosseiramente, aproxima a solução do sistema (4) para os dados. (4) 1 Ver por exemplo, G. Nord, D. Jabon, and J. Nord, The global positioning system and the implicit function theorem, SIAM Rev. 40, 3, , 1998.

4 S i x i (m) y i (m) z i (m) S S S S Tabela 2: Coordenadas de 4 satélites. S i t i (seg) S S S S Tabela 3: Tempos observados para cada satélite (dados com 10 algarismos significativos). (a) A partir do ponto X (0) anteriormente considerado, obtenha as matrizes M e b do sistema linear M a = b (5) que lhe permitem calcular a aproximação X (1) da solução do sistema (4) mediante aplicação do método de Newton para sistemas não lineares. (b) Diga, justificando, se poderá aproximar a solução do sistema (5) aplicando o método de Gauss- Seidel. No caso afirmativo, calcule uma aproximação da solução do sistema M a = b, com erro não superior a (fixando uma norma que deverá especificar). (c) Tome para vector X (1) a aproximação da solução a que obteve na alínea anterior (ou considere X (0), no caso da resposta à alínea anterior ser negativa). A partir de X (1) efectue 5 iterações do método de Newton. Numa tabela inscreva os valores das coordenadas x, y, z e do parâmetro δ calculados, bem como o valor de F (x, y, z, δ) 2, sendo F : R 4 R 4 a função que considerou e cujos zeros são solução do sistema (4). IV 1) Numa experiência foi usado um tubo circular (de 16 cm de diâmetro) onde se fez circular um fluido viscoso (de densidade ρ = 1.2 kg m 3 ). Determinou-se a velocidade v do fluido em pontos situados a uma distância r do eixo do tubo. Os valores das observações efectuadas encontram-se na Tabela 4. r (cm) v (m/s) Tabela 4: Observações de velocidade v e raio r.

5 (a) Desenhe o gráfico G contendo os pontos tabelados (ListPlot). (b) Sobreponha em G o gráfico do polinómio interpolador dos valores tabelados. (c) Idem considerando a melhor aproximação de mínimos quadrados dos valores tabelados, por funções aproximantes do tipo g(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + a 4 cosh(x) + a 5 cosh(2 x) + a 6 cosh(3 x) + a 7 cosh(4 x). Pode garantir que tal melhor aproximação é única? Justifique. (d) Diga, justificando, qual dos modelos referidos em (b) ou (c) adoptaria, no caso de desejar estimar valores da velocidade v para valores de r, com 0 < r < 8, que não constem da Tabela 4. 2) O fluxo de massa m do fluido através do tubo da referida experiência pode ser calculado através do integral definido m = R 0 2πρ v r dr. (a) Usando os valores tabelados, aplique uma das regras de Newton-Cotes para aproximar o respectivo escoamento, exprimindo o resultado em kg s 1. (b) Explique a razão para a escolha que fizer do método de quadratura que utilizou na alínea anterior. V Num processo químico envolvendo três reagentes A, B e C, as respectivas concentrações c A, c B e c C satisfazem o problema de valor inicial d c A (t) = 10 c A (t) c C (t) + c B (t) d c B (t) d c C (t) onde c A (0) = 10, c B (0) = 20 e c C (0) = 30. = 10 c A (t) c C (t) c B (t) 0 t 1 = 10 c A (t) c C (t) + c B (t) 2 c C (t), (a) Para o passo constante h, escreva as equações às diferenças do método de Taylor de segunda ordem aplicado ao sistema diferencial dado. (b) Faça h = Utilize as expressões que obteve na alínea anterior num programa que produza uma tabela de aproximações das concentrações de cada reagente, desde t = 0 a t = (c) Que significado atribui à frase o método numérico em causa possui ordem de convergência 2?

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