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′ + 9y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -2. Trova y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 1000 L di acqua in cui sono disciolti 20 kg di sale. Una salamoia con 0,25 kg di sale per litro entra a 5 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 135 kg di sale?
V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(x2 + 4). Trova f′(3).
f(x) = ln(x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 5x − 6 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 5x − 6x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫13 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 3]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 per y′ = e−ty, y(0) = 0. Trova y₁ ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,2
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,07684
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 + 3)² = 0 → r = −3
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 15 = 13
Calcola
y(2) = (5 + 13·2)·e−6 = 0,07684
Risposta
y(2) = 0,07684
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 138,6 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) = 250 + (−230)·e−t/200
Risolvi per t
e−t/200 = (250 − 135)/(250 − 20) = 0,5
t = 200·ln(2) = 138,6 min
Risposta
t = 138,6 min
3.Integrali
Risposta: I = 1,551
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limiti
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Risposta
I = 1,551
4.Integrali
Risposta: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Integra superiore meno inferiore
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Risposta
A = 18
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: b = −8
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(−2) = 6
f′(x) = x − 5 → f′(−2) = −7
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − (−7)·(−2) = −8
Risposta
b = −8
7.Metodi numerici
Risposta: n = 37
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.
Maggiorazione della derivata seconda
M = 2/1³ = 2
Ricava n
n² > 8·2/(12·0,001) = 1333
n > 36,51 → n = 37
Risposta
n = 37
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 0,1974
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.