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′ + 12y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 4. Trova y(1).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y′ + y = 10e−3t con y(0) = 4. Trova y(1,5).
y′ + y = 10e−3ty(0) = 4
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = 2x da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = 2x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 9 − x² e l'asse x.
y = 9 − x²
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) = 2x2 − 5x − 1 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 2x2 − 5x − 1x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 1/√(1 + x⁴) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 per y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,8469
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 5, −3A − 4B = 4
A = 24, B = −19
Calcola
y(1) = 24·e−3 + (−19)·e−4 = 0,8469
Risposta
y(1) = 0,8469
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 1,953
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 = et
(ety)′ = 10e−2t
Soluzione generale
y = 10/(−2)·e−3t + C·e−t = −5·e−3t + C·e−t
Condizione iniziale
4 = −5 + C → C = 9
Calcola
y(1,5) = −5·0,01111 + 9·0,2231 = 1,953
Risposta
y(1,5) = 1,953
3.Integrali
Risposta: V = 33,51
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.
Metodo dei dischi
V = π∫₀2 4x² dx
Integra
V = π·4·2³/3 = 33,51
Risposta
V = 33,51
Verifica: un cono di raggio 4 e altezza 2 ha (1/3)πr²h = 33,51.
4.Integrali
Risposta: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integra
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Risposta
A = 36
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 = −9
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) = −3
f′(x) = 4x − 5 → f′(2) = 3
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3 − 3·2 = −9
Risposta
b = −9
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,9272
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: y1 = 0,9138
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.