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 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
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
Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
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
Sia f(x) = (3x + 3)5. Trova f′(0).
f(x) = (3x + 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 6x2 − 6. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 6x2 − 6
x =
7.Metodi numericiMedia
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
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.
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.