Per una radice: controlla il cambio di segno per la bisezione, oppure calcola f e f′ per Newton, e mantieni sei o più cifre in una tabella di iterate.
Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
Per un integrale: trova h = (b − a)/n, elenca f in ogni nodo, applica i pesi (1, 2, …, 2, 1 per i trapezi; 1, 4, 2, …, 4, 1 per Simpson con n pari) e moltiplica per h/2 o h/3.
Per un’equazione differenziale: avanza da t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Eulero) o con la pendenza media (Heun), una riga per passo, fino a raggiungere il t richiesto.
2Esercizi
1.Equazioni differenzialiMedia
Risolvi y″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = -4. Trova y(2).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = -4
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 10y = 50 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,75); angoli in radianti.
y″ + 2y′ + 10y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = x.
y = x2y = x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(x2 + 2). Trova f′(−1).
f(x) = ln(x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 + 4x − 1 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 + 4x − 1x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 1/(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 3 strisce. Dai T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3
T =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,1 per y′ = e−ty, y(0) = 1, per stimare y2 ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,1
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,01815
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Radici caratteristiche
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 3, −3A − 4B = -4
A = 8, B = −5
Calcola
y(2) = 8·e−6 + (−5)·e−8 = 0,01815
Risposta
y(2) = 0,01815
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.75) = 5,871
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.
Scegli u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limiti
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Risposta
I = 1,551
4.Integrali
Risposta: A = 0,1667
Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.
Punti di intersezione
x2 = x → x = 0, x = 1
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Risposta
A = 0,1667
5.Derivate
Risposta: f′(−1) = −0,6667
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Regola della catena per il logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 2)
Sostituisci
f′(−1) = −2/3 = −0,6667
Risposta
f′(−1) = −0,6667
6.Derivate
Risposta: b = −28
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Punto e pendenza
f(3) = 38
f′(x) = 6x + 4 → f′(3) = 22
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 38 − 22·3 = −28
Risposta
b = −28
7.Metodi numerici
Risposta: T = 1,002
Integrazione numerica: dividi [a, b] in n strisce di larghezza h = (b − a)/n con nodi x₀ … xₙ. Regola dei trapezi: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regola di Simpson (n pari): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’errore dei trapezi diminuisce come h² (maggiorazione (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|), quello di Simpson come h⁴, quindi Simpson è di solito molto più accurata a parità di nodi.
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 1,179
Soluzione numerica di y′ = f(t, y): il metodo di Eulero avanza lungo la pendenza all’inizio di ogni passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Il metodo di Heun (Eulero migliorato) fa la media della pendenza all’inizio e in una previsione di Eulero: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Il metodo classico di Runge–Kutta (RK4) combina quattro pendenze: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’errore globale di Eulero è proporzionale a h, quello di Heun a h², quello di RK4 a h⁴.