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
Una tazza di caffè a 88 °C viene lasciata in una stanza a 24 °C. Dopo 11 min la sua temperatura è 57 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 88 °CTa = 24 °CT(11) = 57 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 25,25y = 252,5 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 = 252,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(2x), con x in radianti. Trova f′(1,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 1 in x = 1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 1x = 1
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 2 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 12 s con la regola dei trapezi.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2, per stimare y4 ≈ y(0,8).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,2
y4 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,06022 min⁻¹
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.
Rapporto delle differenze di temperatura
e−11k = 33/64
Risolvi per k
k = ln(64/33)/11 = 0,06022 min⁻¹
Risposta
k = 0,06022 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 17,3
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 = 10, r = −0,5 ± 5j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −1
Picco
t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/5) = 17,3
Risposta
ymax = 17,3
3.Integrali
Risposta: I = 26,8
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.
Primitiva
F(x) = e2x/2
Valuta agli estremi
I = (e4 − 1)/2 = (54,6 − 1)/2 = 26,8
Risposta
I = 26,8
4.Integrali
Risposta: I = 3,602
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.
Primo passaggio
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Secondo passaggio
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limiti
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Risposta
I = 3,602
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = −2,829
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(2x) + 2x·cos(2x)
Sostituisci
f′(1,5) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Risposta
f′(1,5) = −2,829
6.Derivate
Risposta: b = −1,5
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(1) = −0,5
f′(x) = x → f′(1) = 1
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −0,5 − 1·1 = −1,5
Risposta
b = −1,5
7.Metodi numerici
Risposta: s = 138 m
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.
Somma pesata
8 + 2·7 + 2·11 + 2·10 + 2·12 + 2·16 + 18 = 138
Regola dei trapezi
s = (2/2)·138 = 138 m
Risposta
s = 138 m
8.Metodi numerici
Risposta: y4 = 0,6327
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.