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
Una lattina di bibita a 5 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 30 °C. Dopo 12 min la sua temperatura è 19 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 5 °CTa = 30 °CT(12) = 19 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 4y′ + 8y = 80 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 4y′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = 0,5x da x = 0 a x = 1 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 1
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) = ln(3x2 + 2). Trova f′(−1).
f(x) = ln(3x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = x2 − 4x − 4 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = x2 − 4x − 4x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 √(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,2 per y′ = −2ty, y(0) = −1, per stimare y3 ≈ y(0,6).
y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,2
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,06842 min⁻¹
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.
Rapporto delle differenze di temperatura
e−12k = -11/-25
Risolvi per k
k = ln(-25/-11)/12 = 0,06842 min⁻¹
Risposta
k = 0,06842 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 10,43
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 = −2 ± 2j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −10
Picco
t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43
Risposta
ymax = 10,43
3.Integrali
Risposta: V = 0,2618
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 0,25x² dx
Integra
V = π·0,25·1³/3 = 0,2618
Risposta
V = 0,2618
Verifica: un cono di raggio 0,5 e altezza 1 ha (1/3)πr²h = 0,2618.
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′(−1) = −1,2
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) = 6x/(3x2 + 2)
Sostituisci
f′(−1) = −6/5 = −1,2
Risposta
f′(−1) = −1,2
6.Derivate
Risposta: b = −13
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) = −7
f′(x) = 2x − 4 → f′(3) = 2
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −7 − 2·3 = −13
Risposta
b = −13
7.Metodi numerici
Risposta: S = 1,976
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: y3 = −0,6971
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.