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″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -1. Trova y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 2y/x = x2 per x > 0, con y(1) = 1. Trova y(2).
y′ + 2y/x = x2y(1) = 1
y(2) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫15 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 5]
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) = ln(x2 + 1). Trova f′(3).
f(x) = ln(x2 + 1)x = 3
f′(3) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 2x2 − x + 6 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 2x2 − x + 6x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 1/(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 6 strisce. Dai T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
T =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = y − t², y(0) = 2, per stimare y4 ≈ y(0,8).
y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,2
y4 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,2888
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.
Radice doppia
(r + 3)² = 0 → r = −3
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 15 = 14
Calcola
y(1,5) = (5 + 14·1,5)·e−4,5 = 0,2888
Risposta
y(1,5) = 0,2888
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 1,8
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 = e∫2/x dx = x2
Integra
(x2y)′ = x4 → x2y = 1x5/5 + C
Condizione iniziale
1 = 1/5 + C → C = 0,8
Calcola
y(2) = (1·25/5 + 0,8)/22 = 1,8
Risposta
y(2) = 1,8
3.Integrali
Risposta: I = 6,438
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.
Primitiva
F(x) = 4·ln x
Valuta agli estremi
I = 4·(ln 5 − ln 1) = 4·ln 5 = 6,438
Risposta
I = 6,438
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′(3) = 0,6
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 + 1)
Sostituisci
f′(3) = 6/10 = 0,6
Risposta
f′(3) = 0,6
6.Derivate
Risposta: b = −12
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) = 21
f′(x) = 4x − 1 → f′(3) = 11
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 21 − 11·3 = −12
Risposta
b = −12
7.Metodi numerici
Risposta: T = 1,007
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: y4 = 4,025
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.