Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. 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.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)17Ta​39 °C

Una tazza di caffè a 91 °C viene lasciata in una stanza a 21 °C. Dopo 17 min la sua temperatura è 39 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.

T0 = 91 °CTa = 21 °CT(17) = 39 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)70 minm = ?

Un serbatoio contiene 500 L di acqua in cui sono disciolti 10 kg di sale. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 4 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 70 min?

V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,05 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegraliMedia
xy12,5y = x ln x

Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xy1,667y = 5xy = 3x²

La regione tra la retta y = 5x e la parabola y = 3x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.

y = 5xy = 3x²
V =
5.DerivateMedia
xyx = 0

Sia f(x) = (3x + 3)5. Trova f′(0).

f(x) = (3x + 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivateDifficile
xy

Sia f(x) = x3 − 6x2 − 6. Trova l'ascissa x del minimo locale.

f(x) = x3 − 6x2 − 6
x =
7.Metodi numericiMedia
xy00,250,50,751

Approssima ∫01 √(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 4 strisce. Dai T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Metodi numericiDifficile
00,10,20,31,61,82ty(0, 2)

Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,1 per y′ = t − y, y(0) = 2, per stimare y3 ≈ y(0,3).

y′ = t − yy(0) = 2h = 0,1
y3 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: k = 0,07989 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−17k = 18/70

Risolvi per k

k = ln(70/18)/17 = 0,07989 min⁻¹

Risposta

k = 0,07989 min⁻¹
2.Equazioni differenziali

Risposta: m = 16,43 kg

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.

Imposta l’equazione

dm/dt = 4·0,05 − (4/500)·m = 0,2 − 0,008·m

Risolvi

Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.

m(t) = 25 + (−15)·e−t/125

Sostituisci t

m(70) = 25 + (−15)·0,5712 = 16,43 kg

Risposta

m = 16,43 kg
3.Integrali

Risposta: I = 1,551

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limiti

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Risposta

I = 1,551
4.Integrali

Risposta: V = 48,48

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.

Punti di intersezione

5x = 3x² → x = 0, x = 1,667

Metodo delle rondelle

V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx

Integra

V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48

Risposta

V = 48,48
5.Derivate

Risposta: f′(0) = 1215

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 della catena

f′(x) = 5·(3x + 3)4·3

Sostituisci

f′(0) = 5·34·3 = 1215

Risposta

f′(0) = 1215
6.Derivate

Risposta: x = 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.

Derivata

f′(x) = 3x2 − 12x = 3·(x2 − 4x)

Risolvi f′(x) = 0

x = 0 oppure x = 4

Qual è quale

f″(x) = 6x − 12: negativa in un massimo, positiva in un minimo.

f″(0) = −12, f″(4) = 12
x = 4

Risposta

x = 4
7.Metodi numerici

Risposta: T = 1,117

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,251,007782220,51,06066230,751,1924242411,4142141

Nodi e valori

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,007782 + 2·1,06066 + 2·1,192424 + 1,414214 = 8,935946

Regola dei trapezi

T = (0,25/2)·8,935946 = 1,117

Risposta

T = 1,117

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: y3 = 1,524

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁002−2−1,71,81510,11,815−1,715−1,44351,65707520,21,657075−1,457075−1,2113671,523653

Passi di Heun

y₁ = 2 + (0,1/2)(−2 − 1,7) = 1,815
y₂ = 1,815 + (0,1/2)(−1,715 − 1,4435) = 1,657075
y₃ = 1,657075 + (0,1/2)(−1,457075 − 1,211367) = 1,523653
00,10,20,31,61,82ty

Grafico

y3 = 1,524

Risposta

y3 = 1,524

Il valore esatto è y(0,3) = 1,522455.

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