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
Una lattina di bibita a 6 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 28 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,04 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 14 min.
T0 = 6 °CTa = 28 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 14 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + y′ + 25,25y = 25,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + y′ + 25,25y = 25,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = x da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (3x + 5)3. Trova f′(−1).
f(x) = (3x + 5)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
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
Approssima ∫01,5 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 per y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: T = 15,43 °C
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.
Soluzione della legge di raffreddamento
T(t) = 28 + (−22)·e−0,04t
Sostituisci t
T(14) = 28 + (−22)·0,5712 = 15,43 °C
Risposta
T = 15,43 °C
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 1,73
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 = −0,5 ± 5j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,1
Picco
t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/5) = 1,73
Risposta
ymax = 1,73
3.Integrali
Risposta: V = 8,378
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∫₀2 1x² dx
Integra
V = π·1·2³/3 = 8,378
Risposta
V = 8,378
Verifica: un cono di raggio 2 e altezza 2 ha (1/3)πr²h = 8,378.
4.Integrali
Risposta: A = 1,333
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.
Zeri
1 − x² = 0 → x = ±1
Integra
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Risposta
A = 1,333
5.Derivate
Risposta: f′(−1) = 36
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 + 5)2·3
Sostituisci
f′(−1) = 3·22·3 = 36
Risposta
f′(−1) = 36
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: S = 0,8461
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 + 4·0,569783 + 0,105399 = 3,384531
Regola di Simpson
S = (0,75/3)·3,384531 = 0,8461
Risposta
S = 0,8461
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 0,5267
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.