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″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 2. Trova y(1,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 11,25y = 112,5 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 3y′ + 11,25y = 112,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·e0,5x. Trova f′(1,5).
f(x) = x·e0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 − 4x − 2 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 − 4x − 2x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫12 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 2]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,0001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,0001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,5 per y′ = t + y, y(0) = 2, per stimare y4 ≈ y(2).
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,5
y4 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 1,334
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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 4, −1A − 4B = 2
A = 6, B = −2
Calcola
y(1,5) = 6·e−1,5 + (−2)·e−6 = 1,334
Risposta
y(1,5) = 1,334
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 12,08
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 = 10, r = −1,5 ± 3j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −5
Picco
t = π/3 = 1,047
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/3) = 12,08
Risposta
ymax = 12,08
3.Integrali
Risposta: I = 23,5
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Risposta
I = 23,5
4.Integrali
Risposta: A = 0,6667
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.
Punti di intersezione
0,5x2 = x → x = 0, x = 2
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Risposta
A = 0,6667
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 3,705
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′ = e0,5x·(1 + 0,5·x)
Sostituisci
f′(1,5) = 2,117·(1 + 0,75) = 3,705
Risposta
f′(1,5) = 3,705
6.Derivate
Risposta: b = −14
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) = 2
f′(x) = 6x − 4 → f′(2) = 8
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − 8·2 = −14
Risposta
b = −14
7.Metodi numerici
Risposta: n = 41
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.
Maggiorazione della derivata seconda
M = 2/1³ = 2
Ricava n
n² > 1·2/(12·0,0001) = 1667
n > 40,82 → n = 41
Risposta
n = 41
8.Metodi numerici
Risposta: y4 = 12,19
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.