Differential equations.
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@ -85,7 +85,7 @@
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%% {} % head spec (empty means `normal')
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%%
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%% \theoremstyle{pf}
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\newtheorem*{pf}{Proof}
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\newtheorem*{pf}{Prova}
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% references
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\newcommand{\refth}[1]{Theorem \ref{#1}}
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@ -6650,6 +6650,160 @@ provado por indução. Acima, nós fomos até $2^3$ no denominador,
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portanto temos $2^4$ termos, que são $2^7$ metades e a unidade com a
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qual a série se inicia. Isso então significa...
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\section{Equações diferenciais}
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Equações diferenciais é certamente a aplicação mais importante de
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Cálculo porque quase qualquer coisa na vida envolve uma quantidade que
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varia com o tempo e em seguida deseja-se por uma fórmula que expresse
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a acumulação dessa coisa que varia. Embora não sejamos obcecados por
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equações diferenciais, gostaríamos de documentar as mais simples
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observações sobre o tema.
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Uma equação diferencial é chamada de {\em ordinária} se a função que
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soluciona a equação depende de apenas uma única váriavel independente,
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ou seja, a função desejada é $y(x)$. Se ela depender de mais de uma
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variável, então trata-se de uma equação diferencial parcial, quando a
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solução é uma função como, por exemplo, $y(x_1, x_2)$.
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Uma equação é chamada de {\em separável de primeira ordem} quando ela
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pode ser escrita como
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$$\frac{dy}{dx} = f(x) g(y)$$
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porque assim é possível separar $y$ e $x$ em cada lado da equação e
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simplesmente integrar ambos os lados da equação usando-se uma
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aplicação do seguinte teorema.
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\masciith{} \label{th1} Declare $y = Y(x)$ uma solução de
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\begin{align} \label{8.45} A(y) y' = Q(x) \end{align}
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tal que $Y'$ é contínua num intervalo $I$. Assuma que $Q$ and $(A
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\circ Y)$ sejam contínuas em $I$. Declare $G$ uma antiderivada de
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$A$. Daí $y$ satisfaz
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\begin{align}\label{8.46}G(y) = \int Q(x) \dx + C.\end{align}
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Conversamente, se $y$ satisfaz (\ref{8.46}) então $y$ é solução de
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(\ref{8.45}). \qed \theend
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\masciiproof Já que $Y$ é solução de (\ref{8.45}), então
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\begin{align} \label{8.47} A(Y(x))Y'(x) = Q(x) \end{align}
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pra cada $x$ em $I$. Já que $G'= A$, então (\ref{8.45}) nos dá
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$$G'(Y(x))Y'(x) = Q(x).$$
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Mas $G'(Y(x))Y'(x)$ é a derivada de $G(Y(x))$, que então é uma
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antiderivada de $Q$, isto é
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\begin{align} \label{8.48} G(Y(x)) = \int Q(x) \dx + C,\end{align}
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e assim a primeira parte do teorema está provada. (Note a constante
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C. Quando integramos $G'(Y(x))Y'(x)$, uma constante aparece. Chame-a
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de D e declare $C = -D$.)
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Agora assuma que $y$ satisfaz (\ref{8.46}). Derivando-a, obtemos
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$$ A(y)y' = Q(x),$$
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que era o que desejávamos.\profend
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Temos aqui apenas uma relação entre equações. A mesma função $y$ que
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satisfaz $A(y) y' = Q(x)$ satisfaz também $$G(y) = \int Q(x) \dx +
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C.$$
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\ghostsection{A importância dessa relação}. Considere a equação
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$y'(x) = y(x)$, onde $y'$ é a derivada de $y$. Implícito na notação
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está o fato de que $y$ é uma variável dependente de $x$. Álgebra nos
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permite dizer que $$(1/y(x)) y'(x) = 1.$$
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Declare $A(y) = 1/y$ e $Q(x) = 1$. Declare $G(y)$ uma
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anti-derivada de $A(y)$ --- como por exemplo $\ln|y|$. O teorema acima nos
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permite dizer que a função $y$ também satisfaz a equação
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$$G(y) = \int Q(x) \dx + C.$$ Logo, para descobrir uma anti-derivada
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de $A(y)$, basta integrar $Q(x)$ com respeito a $x$. Perceba que isto
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é o mesmo que integrar $A(y)$ com respeito a $y$, ou integrar $A(y)
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y'(x)$ com respeito a $x$. Escolhamos então a integração mais fácil e
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de dessa forma obtemos a das outras também.
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Esse é o raciocínio necessário para solucionar equações diferenciais
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separáveis de primeira ordem. O que alguns livros-texto fazem, como
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por exemplo o famoso ``Calculus'' de James Stewart, é aplicar o
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teorema através de um truque da notação de Leibniz.
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Olhemos de mais perto. Considere novamente $dy/dx = y$. Para
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solucionar essa equação, precisamos invocar o teorema acima. Em vez
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de invocá-lo, entretanto, suponhamos que $dy$ e $dx$ sejam, em si,
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variáveis distintas e por mera questão de investigação, operemos a
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equação da seguinte forma:
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\begin{align}
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\dy/\dx &= y\\
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(1/y)\dy &= \dx
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\end{align}
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Voltemos agora nossa atenção à equação
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\begin{align}
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\int (1/y)\dy = \int dx.
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\end{align}
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Sabemos que o lado direito é equivalente a $x + C_1$ e que o lado
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esquerdo é equivalente a $\ln|y| + C_2$. Podemos isolar $y$ através
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de uma aplicação da inversa de $\ln$ e estaríamos satisfeitos, ou
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seja, se houver uma conexão entre (5) e (7), temos um procedimento que
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é fácil de lembrar --- devido a algebrização dos símbolos $\dy$ e
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$\dx$ --- e que nos permite expressar $y$ em função de $x$ --- isto é,
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solucionar a equação. Felizmente a conexão existe como vimos acima.
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\subsection{O modelo logístico}
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Uma equação diferencial famosa é o modelo logístico, que modela
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crescimento populacional. É chamada de ``lei do crescimento natural''
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o fato de que a velocidade de crescimento de uma população é
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proporcional ao tamanho atual dela, o que é bem sensato. Em símbolos,
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essa lei se traduz em
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$$\fr{dP}{dt} = kP,$$
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sendo $k$ alguma constante específica relativa à população em si. Por
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exemplo, uma população de bactérias pode ter uma certa constante e uma
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população de búfalos, outra.
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Essa equação por si só já é um modelo de crescimento populacional, mas
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é muito simplista: ela assume, por exemplo, que a população pode
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crescer pra sempre, o que até nem é absurdo quando a população está em
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início de expansão, mas se torna absurda quando a população começa a
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passar de sua ``capacidade máxima de suporte'', que vamos chamar de
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$M$.
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O modelo logístico leva essa capacidade máxima em consideração e faz
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com que o crescimento se torne decaimento se a população estiver acima
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dessa capacidade máxima de suporte, ou seja, se $P > M$. A equação que
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modela essa sofisticação é
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$$\fr{dP}{dt} = kP\left(1 - \fr{P}{M}\right).$$
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Observe como o fator $(1 - P/M)$ funciona como uma correção ao modelo
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simplista. Se a população estiver acima da capacidade de suporte,
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então $(1 - P/M) < 0$ e assim $dP/dt < 0$, ou seja, a população decai.
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Se porventura a população estiver abaixo da capacidade de suporte,
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então $(1 - P/M) > 0$ e assim $dP/dt > 0$.
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Isso não significa que o modelo faz a população oscilar ao redor de
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$M$. Não ocorre essa oscilação. O que ocorre é que se você começar com
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um $P_0$ abaixo de $M$, então a função-solução tende a $M$ por baixo
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quando $t$ cresce sem limite. Similarmente, se você começar com uma
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população inicial acima de $M$, então a função-solução tende a $M$ por
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cima quando $t$ cresce sem limite. Agora, de fato existe uma solução
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que é $P(t) = M$ em que a população permanece em $M$ pra sempre, o que
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é chamado de {\em solução de equilíbrio}. Outra solução de equilíbrio
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para o modelo logístico é $P(t) = 0$, quando a população permanece em
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zero pra sempre.
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Naturalmente a gente se pergunta agora qual é a função-solução. O
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modelo logístico é uma equação diferencial separável de primeira
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ordem, então sua solução não é difícil de ser obtida se você tiver um
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mínimo de técnicas de integração.
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\newpage \tableofcontents
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\newpage \printbibliography
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