📘 Modelagem Matemática: Aula 05

📌 Sumário da Aula

  1. Sistemas de Equações Lineares em Python: Métodos Diretos (Gauss, Pivoteamento, LU) e Métodos Iterativos (Jacobi, Gauss-Seidel)
  2. 🔮 Conexão com a Próxima Aula (23/10)
  3. 📚 Referências Bibliográficas

Sistemas de Equações Lineares em Python: Métodos Diretos (Gauss, Pivoteamento, LU) e Métodos Iterativos (Jacobi, Gauss-Seidel)

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📍 Disciplina: Modelagem Matemática | 📚 MOC: 01 Matemática e Estatística | 🏠 Início: Hub Principal 📄 Apostila Base: Sistemas de Equações Lineares e Ajuste de Curvas em Python (Seções 1 e 2) ⬅️ Aula Anterior: Aula 03 e 04 - Zeros de Funções Não Lineares ➡️ Próxima Aula: Aula 06 - Interpolação e Ajuste de Curvas (MMQ) 💻 Códigos Associados: sistemas_lineares (Material Complementar) | zeros_funcoes (Material Complementar) 🖼️ Diagramas e Visuais: sistemas_lineares_decomposicao_lu.svg | modelagem_sistemas_iterativos_convergencia_jacobi_seidel.svg | convergencia_jacobi_vs_seidel.png


🎯 Objetivos de Aprendizagem

Ao final desta aula, você será capaz de:

  1. Compreender a formulação matricial de sistemas lineares (): mapear matriz de coeficientes, vetor de variáveis e termos independentes, identificando sistemas possíveis determinados (SPD), indeterminados (SPI) e impossíveis (SI).
  2. Dominar o Método de Eliminação de Gauss e Retrossubstituição:
    • Aplicar operações elementares sobre linhas para transformar a matriz aumentada na forma triangular superior.
    • Compreender e implementar a necessidade do Pivoteamento Parcial para mitigar erros de arredondamento e evitar divisões por zero.
  3. Dominar a Decomposição LU (Fatoração de Doolittle):
    • Fatorar , em que é triangular inferior unitária e é triangular superior.
    • Resolver o sistema desacoplado em dois passos triangulares de complexidade : (substituição direta) e (retrossubstituição).
    • Reconhecer a superioridade do método LU no reuso de fatores para múltiplos vetores de carga .
  4. Dominar os Métodos Iterativos Estacionários:
    • Compreender a decomposição geral de matrizes e o cálculo do vetor resíduo .
    • Gauss-Jacobi: atualização simultânea a partir da matriz diagonal , dedução da fórmula escalar e avaliação do Critério das Linhas e Colunas.
    • Gauss-Seidel: atualização imediata de variáveis usando , aceleração da taxa de convergência e avaliação do Critério de Sassenfeld.
  5. Implementar e Validar Algoritmos Numéricos em Python:
    • Construir rotinas puras em Python com numpy, explorar formas escalonadas reduzidas com sympy.Matrix.rref() e utilizar bibliotecas industriais de alto desempenho (scipy.linalg.lu, lu_factor, lu_solve).
    • Plotar curvas comparativas de convergência logarítmica com matplotlib.

🔍 1. Fundamentos dos Sistemas de Equações Lineares

Na engenharia elétrica, a resolução de sistemas de equações lineares constitui a espinha dorsal de quase todos os cálculos de grande porte:

  • Análise Nodal e de Malhas de Circuitos: (Matriz Admitância Nodal multiplicada pelas tensões nodais resulta nas correntes injetadas).
  • Cálculo de Curto-Circuito e Fluxo de Potência: linearização de equações de rede em torno do ponto de operação (Jacobiana do método Newton-Raphson).
  • Controle e Espaço de Estados: resolução das equações de regime permanente .

Uma equação linear possui todas as suas incógnitas elevadas estritamente à primeira potência, sem produtos cruzados entre variáveis ou termos transcendentais:

Um sistema linear de equações e incógnitas é representado por:

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