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″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 4. Trova y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + y/x = 1 per x > 0, con y(1) = −3. Trova y(2).
y′ + y/x = 1y(1) = −3
y(2) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 5x + 4 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 5x + 4x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 sin(x²) dx con la regola dei trapezi usando n = 4 strisce. Dai T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = t + y, y(0) = 2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,1 fino a t = 0,4. La soluzione esatta è y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trova l’errore globale |E| = |y(0,4) − y4|.
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 1,353
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 + 2)² = 0 → r = −2
Costanti
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 4 = 8
Calcola
y(1) = (2 + 8·1)·e−2 = 1,353
Risposta
y(1) = 1,353
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = −0,75
Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.
Fattore integrante
μ = e∫1/x dx = x1
Integra
(x1y)′ = x → x1y = 1x2/2 + C
Condizione iniziale
−3 = 1/2 + C → C = −3,5
Calcola
y(2) = (1·22/2 + (−3,5))/21 = −0,75
Risposta
y(2) = −0,75
3.Integrali
Risposta: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Risposta
I = 0,1436
4.Integrali
Risposta: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Integra superiore meno inferiore
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Risposta
A = 42,67
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 1,104
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 e della catena
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Sostituisci
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Risposta
f′(1,5) = 1,104
6.Derivate
Risposta: b = 2
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(−2) = 16
f′(x) = x − 5 → f′(−2) = −7
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 16 − (−7)·(−2) = 2
Risposta
b = 2
7.Metodi numerici
Risposta: T = 0,7561
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: |E| = 0,08317
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
y4 = 2,9923
Valore esatto
y(0,4) = 3,075474
Errore globale
|E| = |3,075474 − 2,9923| = 0,08317
Grafico
Risposta
|E| = 0,08317
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.