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) = 4y(0,5) = ?

Risolvi y″ + 3y′ + 2y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 6. Trova y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
t (min)m (kg)t = ?28 kg

Un serbatoio contiene 400 L di acqua in cui sono disciolti 5 kg di sale. Una salamoia con 0,2 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 28 kg di sale?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
xy2y = x·cos x

Calcola I = ∫₀2 x·cos x dx (x in radianti).

∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xy1y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
xyx = 3

Sia f(x) = ln(x2 + 4). Trova f′(3).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DerivateDifficile
xy

Sia f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 2. Trova l'ascissa x del massimo locale.

f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 2
x =
7.Metodi numericiMedia
xy00,40,81,21,62

Approssima ∫02 √(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 5 strisce. Dai T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.Metodi numericiDifficile
00,51−50ty(0, −1)

Usa il metodo di Eulero con h = 0,25 per y′ = 2y, y(0) = −1, per stimare y4 ≈ y(1).

y′ = 2yy(0) = −1h = 0,25
y4 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: y(0.5) = 4,813

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.

Radici caratteristiche

(r + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Costanti dai valori iniziali

A + B = 4, −1A − 2B = 6
A = 14, B = −10

Calcola

y(0,5) = 14·e−0,5 + (−10)·e−1 = 4,813

Risposta

y(0,5) = 4,813
2.Equazioni differenziali

Risposta: t = 7,325 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.

Risultato

m(t) = 80 + (−75)·e−t/20

Risolvi per t

e−t/20 = (80 − 28)/(80 − 5) = 0,6933
t = 20·ln(1,442) = 7,325 min

Risposta

t = 7,325 min
3.Integrali

Risposta: I = 0,4024

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 = cos x dx, v = sin x

Primitiva

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

Limiti

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024

Risposta

I = 0,4024
4.Integrali

Risposta: I = 0,7183

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.

Primo passaggio

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Secondo passaggio

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limiti

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Risposta

I = 0,7183
5.Derivate

Risposta: f′(3) = 0,4615

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 + 4)

Sostituisci

f′(3) = 6/13 = 0,4615

Risposta

f′(3) = 0,4615
6.Derivate

Risposta: x = −4

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 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)

Risolvi f′(x) = 0

x = −4 oppure x = −2

Qual è quale

f″(x) = 6x + 18: negativa in un massimo, positiva in un minimo.

f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −4

Risposta

x = −4
7.Metodi numerici

Risposta: T = 3,268

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,41,031504220,81,229634231,21,651666241,62,25743225231

Nodi e valori

h = 0,4
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,031504 + 2·1,229634 + 2·1,651666 + 2·2,257432 + 3 = 16,340472

Regola dei trapezi

T = (0,4/2)·16,340472 = 3,268

Risposta

T = 3,268

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: y4 = −5,063

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₊₁00−1−2−1,510,25−1,5−3−2,2520,5−2,25−4,5−3,37530,75−3,375−6,75−5,0625

Passi di Eulero

y₁ = −1 + 0,25·(−2) = −1,5
y₂ = −1,5 + 0,25·(−3) = −2,25
y₃ = −2,25 + 0,25·(−4,5) = −3,375
y₄ = −3,375 + 0,25·(−6,75) = −5,0625
00,51−50ty

Grafico

y4 = −5,063

Risposta

y4 = −5,063

Il valore esatto è y(1) = −7,389056.

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