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″ + 8y′ + 16y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 4. Trova y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 4y′ + 29y = 145 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 4y′ + 29y = 145y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀π x·cos x dx (x in radianti).
∫₀π x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.
y = 1 − x²
A =
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
Sia f(x) = x3 − 3x2 − 9x + 5. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 3x2 − 9x + 5
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫02 eˣ dx con la regola dei trapezi, n = 2, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,2 fino a t = 1. La soluzione esatta è y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Trova l’errore globale |E| = |y(1) − y5|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,2
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 2,301
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 + 4)² = 0 → r = −4
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 20 = 24
Calcola
y(0,5) = (5 + 24·0,5)·e−2 = 2,301
Risposta
y(0,5) = 2,301
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 6,423
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 = 5, r = −2 ± 5j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 5B = 0 → B = −2
Picco
t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−2·π/5) = 6,423
Risposta
ymax = 6,423
3.Integrali
Risposta: I = −2
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limiti
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Risposta
I = −2
4.Integrali
Risposta: A = 1,333
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.
Zeri
1 − x² = 0 → x = ±1
Integra
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Risposta
A = 1,333
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: x = 3
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 − 6x − 9 = 3·(x2 − 2x − 3)
Risolvi f′(x) = 0
x = −1 oppure x = 3
Qual è quale
f″(x) = 6x − 6: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−1) = −12, f″(3) = 12
x = 3
Risposta
x = 3
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,5238
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 = 6,389056
Regola dei trapezi
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
Errore
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
Risposta
|E| = 0,5238
Errore relativo: 8,198%.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,01276
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 = 1,409713
Valore esatto
y(1) = 1,422469
Errore globale
|E| = |1,422469 − 1,409713| = 0,01276
Grafico
Risposta
|E| = 0,01276
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.