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″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = -4. Trova y(1,5).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = -4
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + y/x = 6 per x > 0, con y(1) = 1. Trova y(2).
y′ + y/x = 6y(1) = 1
y(2) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
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(2x), con x in radianti. Trova f′(0,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = −x2 − 5x + 6 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = −x2 − 5x + 6x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 eˣ dx con la regola dei trapezi, n = 4, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,1 per y′ = y − t², y(0) = 0,5, per stimare y3 ≈ y(0,3).
y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,1
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,01696
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.
Radici caratteristiche
(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Costanti dai valori iniziali
A + B = 1, −2A − 5B = -4
A = 0,3333, B = 0,6667
Calcola
y(1,5) = 0,3333·e−3 + 0,6667·e−7,5 = 0,01696
Risposta
y(1,5) = 0,01696
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 5
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)′ = 6x → x1y = 6x2/2 + C
Condizione iniziale
1 = 6/2 + C → C = −2
Calcola
y(2) = (6·22/2 + (−2))/21 = 5
Risposta
y(2) = 5
3.Integrali
Risposta: I = 12
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 = ∫15 u1 du
Integra e valuta
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Risposta
I = 12
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′(0.5) = 1,382
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′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Risposta
f′(0,5) = 1,382
6.Derivate
Risposta: b = 10
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) = −8
f′(x) = −2x − 5 → f′(2) = −9
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −8 − (−9)·2 = 10
Risposta
b = 10
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,00894
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.
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.