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″ + 2y′ + y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 1. Trova y(2).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 25,25y = 50,5 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + y′ + 25,25y = 50,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 4x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 4xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x2·ex. Trova f′(1,5).
f(x) = x2·exx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 6. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 6
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫13 1/x dx con la regola di Simpson, n = 2, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = t + y, y(0) = 2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,25 fino a t = 1,25. La soluzione esatta è y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trova l’errore globale |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,25
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 1,083
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.
Radice doppia
(r + 1)² = 0 → r = −1
Costanti
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 2 = 3
Calcola
y(2) = (2 + 3·2)·e−2 = 1,083
Risposta
y(2) = 1,083
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 3,461
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.
Valore a regime e radici
yss = 2, r = −0,5 ± 5j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,2
Picco
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/5) = 3,461
Risposta
ymax = 3,461
3.Integrali
Risposta: I = 1,5
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.
Sostituzione
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du
Integra e valuta
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5
Risposta
I = 1,5
4.Integrali
Risposta: V = 53,62
Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.
Punti di intersezione
4x = 2x² → x = 0, x = 2
Metodo delle rondelle
V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx
Integra
V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62
Risposta
V = 53,62
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 23,53
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 del prodotto
f′(x) = u′v + uv′ = ex·(2x + 1·x2)
Sostituisci
f′(1,5) = 4,482·(3 + 2,25) = 23,53
Risposta
f′(1,5) = 23,53
6.Derivate
Risposta: x = 4
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.
Derivata
f′(x) = 3x2 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Risolvi f′(x) = 0
x = 3 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 21: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 4
Risposta
x = 4
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,0125
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.
Valore esatto
I = 1,098612
Regola di Simpson
S = (1/3)·(1 + 4·0,5 + 0,333333) = 1,111111
Errore
|E| = |1,111111 − 1,098612| = 0,0125
Risposta
|E| = 0,0125
Errore relativo: 1,138%.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 1,316
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.
Passi di Eulero
y5 = 6,905273
Valore esatto
y(1,25) = 8,221029
Errore globale
|E| = |8,221029 − 6,905273| = 1,316
Grafico
Risposta
|E| = 1,316
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.