Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

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

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Risolvi y″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 1. Trova y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)45 minm = ?

Un serbatoio contiene 500 L di acqua pura. Una salamoia con 0,1 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 45 min?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegraliMedia
xy1y = 3x

La regione sotto y = 3x da x = 0 a x = 1 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).

y = 3x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegraliDifficile
xyy = 0,5x2​y = 2x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
5.DerivateMedia
xyx = −1

Sia f(x) = (4x − 1)5. Trova f′(−1).

f(x) = (4x − 1)5x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
xyx = −2

La retta tangente a f(x) = 3x2 + 5 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.

f(x) = 3x2 + 5x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
xy00,51

Approssima ∫01 √x·e−x dx con la regola dei trapezi usando n = 2 strisce. Dai T.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Metodi numericiDifficile
00,050,10,150,21,81,92ty(0, 2)

Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 per y′ = cos t − y, y(0) = 2. Trova y₁ ≈ y(0,2).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y1 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 0,6537

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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Costanti dai valori iniziali

A + B = 1, −2A − 5B = 1
A = 2, B = −1

Calcola

y(0,5) = 2·e−1 + (−1)·e−2,5 = 0,6537

Risposta

y(0,5) = 0,6537
2.Equazioni differenziali

Risposta: m = 15,12 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 = 4·0,1 − (4/500)·m = 0,4 − 0,008·m

Risolvi

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

m(t) = 50 + (−50)·e−t/125

Sostituisci t

m(45) = 50 + (−50)·0,6977 = 15,12 kg

Risposta

m = 15,12 kg
3.Integrali

Risposta: V = 9,425

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∫₀1 9x² dx

Integra

V = π·9·1³/3 = 9,425

Risposta

V = 9,425

Verifica: un cono di raggio 3 e altezza 1 ha (1/3)πr²h = 9,425.

4.Integrali

Risposta: A = 5,333

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 = 2x → x = 0, x = 4

Integra superiore meno inferiore

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

Risposta

A = 5,333
5.Derivate

Risposta: f′(−1) = 12500

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·(4x − 1)4·4

Sostituisci

f′(−1) = 5·(−5)4·4 = 12500

Risposta

f′(−1) = 12500
6.Derivate

Risposta: b = −7

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) = 17
f′(x) = 6x → f′(−2) = −12

Retta tangente in x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 17 − (−12)·(−2) = −7

Risposta

b = −7
7.Metodi numerici

Risposta: T = 0,3064

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)peso000110,50,4288822210,3678791

Nodi e valori

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,428882 + 0,367879 = 1,225643

Regola dei trapezi

T = (0,5/2)·1,225643 = 0,3064

Risposta

T = 0,3064

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

8.Metodi numerici

Risposta: y1 = 1,817

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.

Quattro pendenze

k₁ = f(0, 2) = −1
k₂ = f(0,1, 1,9) = −0,904996
k₃ = f(0,1, 1,9095) = −0,914496
k₄ = f(0,2, 1,817101) = −0,837034

Combina

y₁ = 2 + (0,2/6)(−1 + 2·−0,904996 + 2·−0,914496 − 0,837034) = 1,817

Risposta

y1 = 1,817

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations