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 83 °C viene lasciata in una stanza a 21 °C. Dopo 21 min la sua temperatura è 27 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 23 °C?
T0 = 83 °CTa = 21 °CT(21) = 27 °CT = 23 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 2y′ + 10y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀2 x·sin x dx (x in radianti).
∫₀2 x·sin 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) = x2·e−0,5x. Trova f′(0,5).
f(x) = x2·e−0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 + 2x + 6 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 + 2x + 6x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 sin x dx con la regola di Simpson, n = 2, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 per y′ = cos t − y, y(0) = −1. Trova y₁ ≈ y(0,1).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,1
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 30,88 min
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.
Costante di raffreddamento
k = ln(62/6)/21 = 0,1112 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(62/2)/0,1112 = 30,88 min
Risposta
t = 30,88 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 0,4891
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.
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 = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limiti
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Risposta
I = 1,742
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′(0.5) = 0,6815
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
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(2x + (−0,5)·x2)
Sostituisci
f′(0,5) = 0,7788·(1 + (−0,125)) = 0,6815
Risposta
f′(0,5) = 0,6815
6.Derivate
Risposta: b = 4
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) = 12
f′(x) = x + 2 → f′(2) = 4
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 4·2 = 4
Risposta
b = 4
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,0001645
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 = 0,459698
Regola di Simpson
S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862
Errore
|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645
Risposta
|E| = 0,0001645
Errore relativo: 0,03578%.
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = −0,8098
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.