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
Risolvi y′ + y = 5e−3t con y(0) = 0. Trova y(1,5).
y′ + y = 5e−3ty(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = √(2x) da x = 0 a x = 4 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un paraboloide).
y = √(2x)0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(2x), con x in radianti. Trova f′(1,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 3x − 5 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 3x − 5x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫02 1/(1 + x³) dx con la regola dei trapezi usando n = 5 strisce. Dai T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, per stimare y3 ≈ y(0,6).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,2
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,09667
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 = 17
Calcola
y(2) = (5 + 17·2)·e−6 = 0,09667
Risposta
y(2) = 0,09667
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,5301
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.
Fattore integrante
μ = et
(ety)′ = 5e−2t
Soluzione generale
y = 5/(−2)·e−3t + C·e−t = −2,5·e−3t + C·e−t
Condizione iniziale
0 = −2,5 + C → C = 2,5
Calcola
y(1,5) = −2,5·0,01111 + 2,5·0,2231 = 0,5301
Risposta
y(1,5) = 0,5301
3.Integrali
Risposta: V = 50,27
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∫₀4 2x dx
Integra
V = π·2·4²/2 = 50,27
Risposta
V = 50,27
4.Integrali
Risposta: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Risposta
I = 0,0609
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = −2,829
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 e della catena
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Sostituisci
f′(1,5) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Risposta
f′(1,5) = −2,829
6.Derivate
Risposta: b = −7
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) = 3
f′(x) = x − 3 → f′(−2) = −5
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−5)·(−2) = −7
Risposta
b = −7
7.Metodi numerici
Risposta: T = 1,088
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 = 1,757
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.