Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

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

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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) = 2y(1,5) = ?

Risolvi y″ + 2y′ + y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = -1. Trova y(1,5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 10y(0,75) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 25,25y = 252,5 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,75); angoli in radianti.

y″ + y′ + 25,25y = 252,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraliMedia
xyπ/2y = x·sin x

Calcola I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x in radianti).

∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xyy = 2x2​y = 2x

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

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

Sia f(x) = (2x − 1)3. Trova f′(−1).

f(x) = (2x − 1)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
xy

Sia f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 3. Trova l'ascissa x del massimo locale.

f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 3
x =
7.Metodi numericiMedia

La regola dei trapezi è usata per ∫01 x³ dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [0, 1]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,001.

f(x) = x³[a, b] = [0, 1]ε = 0,001
n =
8.Metodi numericiDifficile
00,20,40,60,80,40,5ty(0, 0,5)

Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = t − y, y(0) = 0,5, per stimare y4 ≈ y(0,8).

y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,2
y4 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 0,781

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 + 1)² = 0 → r = −1

Costanti

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = -1 + 2 = 1

Calcola

y(1,5) = (2 + 1·1,5)·e−1,5 = 0,781

Risposta

y(1,5) = 0,781
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.75) = 16,03

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 = −0,5 ± 5j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −1

Calcola

y(0,75) = 10·(1 − e−0,375(cos 3,75 + 0,1·sin 3,75)) = 16,03

Risposta

y(0,75) = 16,03
3.Integrali

Risposta: I = 1

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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Primitiva

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Limiti

(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1

Risposta

I = 1
4.Integrali

Risposta: A = 0,3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

Integra superiore meno inferiore

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Risposta

A = 0,3333
5.Derivate

Risposta: f′(−1) = 54

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·(2x − 1)2·2

Sostituisci

f′(−1) = 3·(−3)2·2 = 54

Risposta

f′(−1) = 54
6.Derivate

Risposta: x = 3

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.

Derivata

f′(x) = 3x2 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)

Risolvi f′(x) = 0

x = 3 oppure x = 4

Qual è quale

f″(x) = 6x − 21: negativa in un massimo, positiva in un minimo.

f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 3

Risposta

x = 3
7.Metodi numerici

Risposta: n = 23

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.

Maggiorazione della derivata seconda

M = 6·1 = 6

Ricava n

n² > 1·6/(12·0,001) = 500
n > 22,36 → n = 23

Risposta

n = 23
8.Metodi numerici

Risposta: y4 = 0,4144

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,5−0,50,410,20,4−0,20,3620,40,360,040,36830,60,3680,2320,4144

Passi di Eulero

y₁ = 0,5 + 0,2·(−0,5) = 0,4
y₂ = 0,4 + 0,2·(−0,2) = 0,36
y₃ = 0,36 + 0,2·(0,04) = 0,368
y₄ = 0,368 + 0,2·(0,232) = 0,4144
00,20,40,60,80,40,5ty

Grafico

y4 = 0,4144

Risposta

y4 = 0,4144

Il valore esatto è y(0,8) = 0,473993.

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