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
Un pezzo d’acciaio forgiato a 460 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 30 °C. Dopo 35 min la sua temperatura è 105 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 64 °C?
T0 = 460 °CTa = 30 °CT(35) = 105 °CT = 64 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 10y = 10 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 2y′ + 10y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 6x e la parabola y = 3x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 6xy = 3x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (3x − 3)3. Trova f′(−1).
f(x) = (3x − 3)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = x2 − x − 5 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = x2 − x − 5x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 1/(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 2 strisce. Dai T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
T =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = y(2 − y), y(0) = 1 con il metodo di Eulero e passo h = 0,2 fino a t = 0,8. La soluzione esatta è y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Trova l’errore globale |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 50,86 min
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.
Costante di raffreddamento
k = ln(430/75)/35 = 0,04989 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(430/34)/0,04989 = 50,86 min
Risposta
t = 50,86 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 1,351
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 = 1, r = −1 ± 3j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −0,3333
Picco
t = π/3 = 1,047
ymax = 1·(1 + e−1·π/3) = 1,351
Risposta
ymax = 1,351
3.Integrali
Risposta: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Risposta
I = 14,12
4.Integrali
Risposta: V = 120,6
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.
Punti di intersezione
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Metodo delle rondelle
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integra
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Risposta
V = 120,6
5.Derivate
Risposta: f′(−1) = 324
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) = 3·(3x − 3)2·3
Sostituisci
f′(−1) = 3·(−6)2·3 = 324
Risposta
f′(−1) = 324
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(2) = −3
f′(x) = 2x − 1 → f′(2) = 3
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3 − 3·2 = −9
Risposta
b = −9
7.Metodi numerici
Risposta: T = 0,9882
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 = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,703297 + 0,228571 = 2,635165
Regola dei trapezi
T = (0,75/2)·2,635165 = 0,9882
Risposta
T = 0,9882
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,03423
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 = 1,698263
Valore esatto
y(0,8) = 1,664037
Errore globale
|E| = |1,664037 − 1,698263| = 0,03423
Grafico
Risposta
|E| = 0,03423
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.