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Título: Técnicas de Modelagem Matemática e os Métodos de Runge-Kutta
Autor: Silva, Angelo Antunes da Rocha
Endereco Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/9069459979748516
Orientador: Didier, Maria Ângela Caldas
Endereco Lattes do orientador : http://lattes.cnpq.br/9721552594807972
Co-orientador : Gondim, João Antônio Miranda
Endereço Lattes do Co-orientador : http://lattes.cnpq.br/2674397127545655
Palavras-chave: Modelos matemáticos;Runge-Kutta, Fórmulas de;População - Crescimento;Python (Linguagem de programação de computador)
Data do documento: 23-Jul-2021
Citação: SILVA, Angelo Antunes da Rocha. Técnicas de Modelagem Matemática e os Métodos de Runge-Kutta. 2021. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Matemática) - Departamento de Matemática, Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, 2021.
Abstract: This work consists in the study of Mathematical Modeling with numerical analysis of the models. In it we present the steps of a modeling process, define and evaluate a mathematical model and also discuss the technique of modeling by fitting curves through the Minimal Squares Method, as well as by differential equations where we approach some models, among them those which describe a populational growth dynamic and epidemiological models. We also present the methods from Taylor Series and Runge-Kutta for the construction of numeric solutions for a initial value problem. As the main contribution we simulated analytical and numerical solutions for four problems of initial value, analysing the error linked to numerical solutions, aiming to answer questions related to the general formula of the Runge-Kutta method of order 2. To calculate error for a certain range we used L2 norm and a closed formula from Newton-Cotes. The purpose here is to offer material in the subject of Mathematical Modeling which can be used by Mathematics Graduation students as another area that utilizes Differential Calculus as a tool. The simulations were coded using Python and the code may be accessed through the link in the beggining of this essay.
Resumo: Este trabalho consiste no estudo da Modelagem Matemática com análise numérica dos modelos. Apresentamos as etapas de um processo de modelagem, definimos e classificamos um modelo matemático e discutimos as técnicas de modelagem por ajuste de curvas usando o Método dos Mínimos Quadrados e por equações diferenciais onde abordamos alguns modelos, dentre eles, os que descrevem uma dinâmica de crescimento populacional e os modelos epidemiológicos. Também, apresentamos os métodos de Série de Taylor e os métodos de Runge-Kutta para a construção de soluções numéricas de um problema de valor inicial. Como contribuição principal, simulamos as soluções analíticas e numéricas para quatro problemas de valor inicial e analisamos os erros das soluções numéricas para responder questões referentes a fórmula geral do método de Runge-Kutta de ordem 2. Calculamos dois tipos de erros: o Erro de Fórmula e o erro em um intervalo. Para o cálculo do erro em um intervalo, utilizamos a norma L2 e uma fórmula fechada de Newton-Cotes. A proposta aqui é fornecer um material sobre Modelagem Matemática que possa ser utilizado tanto por um estudante de Graduação em Matemática, como de outra área de conhecimento que desfrute do Cálculo Diferencial como ferramenta. Observamos que as simulações dos modelos foram realizadas na linguagem de programação Python e os códigos poderão ser acessados através do link disponibilizado na introdução desta dissertação.
URI: https://repository.ufrpe.br/handle/123456789/2710
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