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″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 1. Trova y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 3y′ + 27,25y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(1,5); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = √(4x) da x = 0 a x = 3 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x3·e−0,5x. Trova f′(1).
f(x) = x3·e−0,5xx = 1
f′(1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 4x + 2 in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 4x + 2x = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 1 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 5 s con la regola dei trapezi.
h = 1 sn = 5
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,1 per y′ = y − t², y(0) = 0,5, per stimare y2 ≈ y(0,2).
y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,1
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,5413
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 + 2)² = 0 → r = −2
Costanti
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 2 = 3
Calcola
y(1) = (1 + 3·1)·e−2 = 0,5413
Risposta
y(1) = 0,5413
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,06619
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 4x dx
Integra
V = π·4·3²/2 = 56,55
Risposta
V = 56,55
4.Integrali
Risposta: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Risposta
I = 12,78
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 1,516
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 del prodotto
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)
Sostituisci
f′(1) = 0,6065·(3 + (−0,5)) = 1,516
Risposta
f′(1) = 1,516
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(−1) = 6,5
f′(x) = x − 4 → f′(−1) = −5
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6,5 − (−5)·(−1) = 1,5
Risposta
b = 1,5
7.Metodi numerici
Risposta: s = 82,5 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
10 + 2·13 + 2·15 + 2·19 + 2·20 + 21 = 165
Regola dei trapezi
s = (1/2)·165 = 82,5 m
Risposta
s = 82,5 m
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 0,6074
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.