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 tazza di caffè a 93 °C viene lasciata in una stanza a 22 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,03 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 5 min.
T0 = 93 °CTa = 22 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 5 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 4y′ + 8y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(1); angoli in radianti.
y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫28 3/x dx.
f(x) = 3/x[2, 8]
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(3x2 + 5). Trova f′(−1).
f(x) = ln(3x2 + 5)x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 3x2 + 2x − 6 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 3x2 + 2x − 6x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫03 √x·e−x dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,25 per y′ = −2ty, y(0) = 1, per stimare y3 ≈ y(0,75).
y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,25
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: T = 83,11 °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) = 22 + 71·e−0,03t
Sostituisci t
T(5) = 22 + 71·0,8607 = 83,11 °C
Risposta
T = 83,11 °C
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,3337
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.
Radici complesse
r = −2 ± 2j
Costanti
A = 5, B = 2·5/2 = 5
Calcola
y(1) = e−2(5·cos 2 + 5·sin 2) = 0,3337
Risposta
y(1) = 0,3337
3.Integrali
Risposta: I = 4,159
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.
Primitiva
F(x) = 3·ln x
Valuta agli estremi
I = 3·(ln 8 − ln 2) = 3·ln 4 = 4,159
Risposta
I = 4,159
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′(−1) = −0,75
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) = 6x/(3x2 + 5)
Sostituisci
f′(−1) = −6/8 = −0,75
Risposta
f′(−1) = −0,75
6.Derivate
Risposta: b = −18
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) = 10
f′(x) = 6x + 2 → f′(2) = 14
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − 14·2 = −18
Risposta
b = −18
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,7254
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 = 0,6563
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.