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)16Ta​T = ?

Un pezzo d’acciaio forgiato a 420 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 27 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,05 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 16 min.

T0 = 420 °CTa = 27 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 16 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 1ymax​ = ?

Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 25,25y = 25,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.

y″ + y′ + 25,25y = 25,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
xy2y = √(4x)

La regione sotto y = √(4x) da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraliDifficile
xy2y = 4xy = 2x²

La regione tra la retta y = 4x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.

y = 4xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
xyx = 3

Sia f(x) = ln(x2 + 5). Trova f′(3).

f(x) = ln(x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DerivateDifficile
xyx = 3

La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 4x − 3 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.

f(x) = 0,5x2 − 4x − 3x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
xy00,511,52

Approssima ∫02 √(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,510,40,60,81ty(0, 0,5)

Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = y − t², y(0) = 0,5, per stimare y5 ≈ y(1).

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,2
y5 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: T = 203,6 °C

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.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 27 + 393·e−0,05t

Sostituisci t

T(16) = 27 + 393·0,4493 = 203,6 °C

Risposta

T = 203,6 °C
2.Equazioni differenziali

Risposta: ymax = 1,73

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.

Valore a regime e radici

yss = 1, r = −0,5 ± 5j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,1

Picco

t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/5) = 1,73

Risposta

ymax = 1,73
3.Integrali

Risposta: V = 25,13

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 4x dx

Integra

V = π·4·2²/2 = 25,13

Risposta

V = 25,13
4.Integrali

Risposta: V = 53,62

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

4x = 2x² → x = 0, x = 2

Metodo delle rondelle

V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx

Integra

V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62

Risposta

V = 53,62
5.Derivate

Risposta: f′(3) = 0,4286

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 per il logaritmo

f′(x) = 2x/(x2 + 5)

Sostituisci

f′(3) = 6/14 = 0,4286

Risposta

f′(3) = 0,4286
6.Derivate

Risposta: b = −7,5

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(3) = −10,5
f′(x) = x − 4 → f′(3) = −1

Retta tangente in x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −10,5 − (−1)·3 = −7,5

Risposta

b = −7,5
7.Metodi numerici

Risposta: S = 3,24

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)peso001110,51,060664211,414214231,52,0916544231

Nodi e valori

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 2·1,414214 + 4·2,09165 + 3 = 19,437668

Regola di Simpson

S = (0,5/3)·19,437668 = 3,24

Risposta

S = 3,24

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

8.Metodi numerici

Risposta: y5 = 0,9699

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,50,50,610,20,60,560,71220,40,7120,5520,822430,60,82240,46240,9148840,80,914880,274880,969856

Passi di Eulero

y₁ = 0,5 + 0,2·(0,5) = 0,6
y₂ = 0,6 + 0,2·(0,56) = 0,712
y₃ = 0,712 + 0,2·(0,552) = 0,8224
y₄ = 0,8224 + 0,2·(0,4624) = 0,91488
y₅ = 0,91488 + 0,2·(0,27488) = 0,969856
00,510,40,60,81ty

Grafico

y5 = 0,9699

Risposta

y5 = 0,9699

Il valore esatto è y(1) = 0,922577.

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