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″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -2. Trova y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = 3x da x = 0 a x = 3 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = 3x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 2x e la parabola y = x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 2xy = x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(2x2 + 4). Trova f′(1).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = −x2 − 5x + 3 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = −x2 − 5x + 3x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 5 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 25 s con la regola dei trapezi.
h = 5 sn = 5
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 per y′ = cos t − y, y(0) = 2. Trova y₁ ≈ y(0,2).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 1,145
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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 5, −2A − 4B = -2
A = 9, B = −4
Calcola
y(1) = 9·e−2 + (−4)·e−4 = 1,145
Risposta
y(1) = 1,145
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 2,233
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.
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∫₀3 9x² dx
Integra
V = π·9·3³/3 = 254,5
Risposta
V = 254,5
Verifica: un cono di raggio 9 e altezza 3 ha (1/3)πr²h = 254,5.
4.Integrali
Risposta: V = 13,4
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
2x = 1x² → x = 0, x = 2
Metodo delle rondelle
V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx
Integra
V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4
Risposta
V = 13,4
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 0,6667
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) = 4x/(2x2 + 4)
Sostituisci
f′(1) = 4/6 = 0,6667
Risposta
f′(1) = 0,6667
6.Derivate
Risposta: b = 12
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) = −21
f′(x) = −2x − 5 → f′(3) = −11
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −21 − (−11)·3 = 12
Risposta
b = 12
7.Metodi numerici
Risposta: s = 347,5 m
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.
Somma pesata
7 + 2·7 + 2·13 + 2·17 + 2·20 + 18 = 139
Regola dei trapezi
s = (5/2)·139 = 347,5 m
Risposta
s = 347,5 m
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 1,817
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.