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) = 4. Trova y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 100 L di acqua pura. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 2 kg di sale?
V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(x2 + 5). Trova f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 6x2 − 4. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 6x2 − 4
x =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 1 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 4 s con la regola dei trapezi.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,2 per y′ = cos t − y, y(0) = 2, per stimare y3 ≈ y(0,6).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 1,472
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 = 4 + 2 = 6
Calcola
y(0,5) = (1 + 6·0,5)·e−1 = 1,472
Risposta
y(0,5) = 1,472
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 2,554 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) = 5 + (−5)·e−t/5
Risolvi per t
e−t/5 = (5 − 2)/(5 − 0) = 0,6
t = 5·ln(1,667) = 2,554 min
Risposta
t = 2,554 min
3.Integrali
Risposta: I = 2,333
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.
Sostituzione
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integra e valuta
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Risposta
I = 2,333
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.
Punti di intersezione
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Integra superiore meno inferiore
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Risposta
A = 1,333
5.Derivate
Risposta: f′(−2) = −0,4444
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 + 5)
Sostituisci
f′(−2) = −4/9 = −0,4444
Risposta
f′(−2) = −0,4444
6.Derivate
Risposta: x = 4
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 − 12x = 3·(x2 − 4x)
Risolvi f′(x) = 0
x = 0 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 12: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(0) = −12, f″(4) = 12
x = 4
Risposta
x = 4
7.Metodi numerici
Risposta: s = 42,5 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
6 + 2·11 + 2·12 + 2·11 + 11 = 85
Regola dei trapezi
s = (1/2)·85 = 42,5 m
Risposta
s = 42,5 m
8.Metodi numerici
Risposta: y3 = 1,493
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.