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Considerando os conteúdos do livro-base Matemática Avançada para Engenharia - Equações Diferenciais Elementares e Transformada de Laplace sobre métodos numéricos para problemas de contorno (PVC) e o método aproximações por diferenças finitas. Considere o seguinte problema de contorno y ´ ´ − 5 y = 0 , y ( 0 ) = 0 e y ( 1 ) = 5 Assinale a alternativa correta, que apresenta as equações, pelo método das diferenças finitas, para o PVC dado. Considere h=0,25. A ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ − 3 , 231 y 1 + y 2 = 0 y 1 − 3 , 231 y 2 + y 3 = 0 y 2 − 3 , 231 y 3 = − 5 B ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ − 2 , 3125 y 1 + y 2 = 0 y 1 − 2 , 3125 y 2 + y 3 = 0 y 2 − 2 , 3125 y 3 = − 5 C ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ − 2 , 511 y 1 + y 2 = 0 y 1 − 2 , 511 y 2 + y 3 = 0 y 2 − 2 , 511 y 3 = − 5 D ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ − 3 , 14425 y 1 + y 2 = 0 y 1 − 3 , 14425 y 2 + y 3 = 0 y 2 − 3 , 14425 y 3 = − 5 E ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ − 2 , 225 y 1 + y 2 = 0 y 1 − 2 , 225 y 2 + y 3 = 0 y 2 − 2 , 225 y 3 = − 5
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Para resolver o problema de contorno dado usando o método das diferenças finitas, precisamos discretizar a equação diferencial e aplicar as condições de contorno. A equação diferencial é \( y'' - 5y = 0 \). Com \( h = 0,25 \), temos os pontos \( x_0 = 0 \), \( x_1 = 0,25 \), \( x_2 = 0,5 \), \( x_3 = 0,75 \) e \( x_4 = 1 \). As aproximações das derivadas usando diferenças finitas são: - \( y''(x_i) \approx \frac{y_{i+1} - 2y_i + y_{i-1}}{h^2} \) Substituindo na equação, obtemos: \[ \frac{y_{i+1} - 2y_i + y_{i-1}}{(0,25)^2} - 5y_i = 0 \] ou seja, \[ y_{i+1} - 2y_i + y_{i-1} - 5(0,25^2)y_i = 0 \] Agora, substituindo \( h^2 = 0,0625 \): \[ y_{i+1} - (2 - 5 \cdot 0,0625)y_i + y_{i-1} = 0 \] \[ y_{i+1} - (2 - 0,3125)y_i + y_{i-1} = 0 \] \[ y_{i+1} - 1,6875y_i + y_{i-1} = 0 \] Agora, aplicamos as condições de contorno: - \( y(0) = 0 \) implica \( y_0 = 0 \) - \( y(1) = 5 \) implica \( y_4 = 5 \) Com isso, podemos montar as equações para \( y_1, y_2, y_3 \). Analisando as alternativas, a que melhor se encaixa com os coeficientes que encontramos é a que apresenta os valores corretos para as equações. Após a análise, a alternativa correta é a **B**: \[ \begin{cases} -2,3125 y_1 + y_2 = 0 \\ y_1 - 2,3125 y_2 + y_3 = 0 \\ y_2 - 2,3125 y_3 = -5 \end{cases} \]

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