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 lattina di bibita a 6 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 30 °C. Dopo 14 min la sua temperatura è 23 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 30 °CT(14) = 23 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 5y = 50 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 2y′ + 5y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = 2x da x = 0 a x = 3 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = 2x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(3x), con x in radianti. Trova f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 + 3 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 + 3x = 2
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 di Simpson.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = −2ty, y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,25 fino a t = 0,75. La soluzione esatta è y = y₀e−t². Trova l’errore globale |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,08801 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−14k = -7/-24
Risolvi per k
k = ln(-24/-7)/14 = 0,08801 min⁻¹
Risposta
k = 0,08801 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 4,171
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.
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.
Metodo dei dischi
V = π∫₀3 4x² dx
Integra
V = π·4·3³/3 = 113,1
Risposta
V = 113,1
Verifica: un cono di raggio 6 e altezza 3 ha (1/3)πr²h = 113,1.
4.Integrali
Risposta: A = 18
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 = 3x → x = 0, x = 6
Integra superiore meno inferiore
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Risposta
A = 18
5.Derivate
Risposta: f′(0.5) = 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(3x) + 3x·cos(3x)
Sostituisci
f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Risposta
f′(0,5) = 1,104
6.Derivate
Risposta: b = −9
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) = 15
f′(x) = 6x → f′(2) = 12
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 15 − 12·2 = −9
Risposta
b = −9
7.Metodi numerici
Risposta: s = 99,33 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
6 + 4·6 + 2·7 + 4·6 + 2·9 + 4·13 + 11 = 149
Regola di Simpson
s = (2/3)·149 = 99,33 m
Risposta
s = 99,33 m
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,04323
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
y3 = 0,328125
Valore esatto
y(0,75) = 0,284891
Errore globale
|E| = |0,284891 − 0,328125| = 0,04323
Grafico
Risposta
|E| = 0,04323
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.