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″ + 8y′ + 16y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -1. Trova y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y′ + 0,5y = 5e−3t con y(0) = 2. Trova y(1,5).
y′ + 0,5y = 5e−3ty(0) = 2
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = √(x) da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(2x), con x in radianti. Trova f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 − x − 6 in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 − x − 6x = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫03 √x·e−x dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = −2ty, y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,1 fino a t = 0,4. La soluzione esatta è y = y₀e−t². Trova l’errore globale |E| = |y(0,4) − y4|.
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,1
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 1,962
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 + 4)² = 0 → r = −4
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 20 = 19
Calcola
y(0,5) = (5 + 19·0,5)·e−2 = 1,962
Risposta
y(0,5) = 1,962
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 1,867
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 5e−2,5t
Soluzione generale
y = 5/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −2·e−3t + C·e−0,5t
Condizione iniziale
2 = −2 + C → C = 4
Calcola
y(1,5) = −2·0,01111 + 4·0,4724 = 1,867
Risposta
y(1,5) = 1,867
3.Integrali
Risposta: V = 6,283
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 x dx
Integra
V = π·1·2²/2 = 6,283
Risposta
V = 6,283
4.Integrali
Risposta: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Integra superiore meno inferiore
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Risposta
A = 2,667
5.Derivate
Risposta: f′(2) = −3,371
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 e della catena
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Sostituisci
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Risposta
f′(2) = −3,371
6.Derivate
Risposta: b = −9
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(−1) = −2
f′(x) = 6x − 1 → f′(−1) = −7
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − (−7)·(−1) = −9
Risposta
b = −9
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,5897
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.
Nodi e valori
h = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,273278 + 0,0862337 = 1,179344
Regola di Simpson
S = (1,5/3)·1,179344 = 0,5897
Risposta
S = 0,5897
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,0161
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.
Passi di Eulero
y4 = 0,442176
Valore esatto
y(0,4) = 0,426072
Errore globale
|E| = |0,426072 − 0,442176| = 0,0161
Grafico
Risposta
|E| = 0,0161
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.