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 420 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 29 °C. Dopo 48 min la sua temperatura è 122 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 420 °CTa = 29 °CT(48) = 122 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 500 L di acqua pura. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 2 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 13 kg di sale?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀π x·sin x dx (x in radianti).
∫₀π x·sin x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = x.
y = x2y = x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(x2 + 4). Trova f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 + 6 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 + 6x = 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 Eulero con h = 0,5 per y′ = −0,5y, y(0) = 2, per stimare y3 ≈ y(1,5).
y′ = −0,5yy(0) = 2h = 0,5
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,02992 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−48k = 93/391
Risolvi per k
k = ln(391/93)/48 = 0,02992 min⁻¹
Risposta
k = 0,02992 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 183,5 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) = 25 + (−25)·e−t/250
Risolvi per t
e−t/250 = (25 − 13)/(25 − 0) = 0,48
t = 250·ln(2,083) = 183,5 min
Risposta
t = 183,5 min
3.Integrali
Risposta: I = 3,142
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·cos π + sin π) − (0 + 0) = 3,142
Risposta
I = 3,142
4.Integrali
Risposta: A = 0,1667
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
x2 = x → x = 0, x = 1
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Risposta
A = 0,1667
5.Derivate
Risposta: f′(−2) = −0,5
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′(−2) = −4/8 = −0,5
Risposta
f′(−2) = −0,5
6.Derivate
Risposta: b = 1,5
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) = 10,5
f′(x) = x → f′(3) = 3
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10,5 − 3·3 = 1,5
Risposta
b = 1,5
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 = 0,8438
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.