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 lattina di bibita a 6 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 23 °C. Dopo 30 min la sua temperatura è 21 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 15 °C?
T0 = 6 °CTa = 23 °CT(30) = 21 °CT = 15 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + y/x = 5x2 per x > 0, con y(1) = 1. Trova y(3).
y′ + y/x = 5x2y(1) = 1
y(3) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 6x e la parabola y = 3x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 6xy = 3x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x3·e2x. Trova f′(1,5).
f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 + 3x + 3 in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 + 3x + 3x = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 per y′ = cos t − y, y(0) = −1. Trova y₁ ≈ y(0,5).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 10,57 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.
Costante di raffreddamento
k = ln(-17/-2)/30 = 0,07134 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(-17/(−8))/0,07134 = 10,57 min
Risposta
t = 10,57 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(3) = 33,67
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 = e∫1/x dx = x1
Integra
(x1y)′ = 5x3 → x1y = 5x4/4 + C
Condizione iniziale
1 = 5/4 + C → C = −0,25
Calcola
y(3) = (5·34/4 + (−0,25))/31 = 33,67
Risposta
y(3) = 33,67
3.Integrali
Risposta: I = 41,33
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 = ∫15 u2 du
Integra e valuta
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Risposta
I = 41,33
4.Integrali
Risposta: V = 120,6
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.
Punti di intersezione
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Metodo delle rondelle
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integra
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Risposta
V = 120,6
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 271,2
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′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Sostituisci
f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2
Risposta
f′(1,5) = 271,2
6.Derivate
Risposta: b = 1
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) = 11
f′(x) = x + 3 → f′(2) = 5
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − 5·2 = 1
Risposta
b = 1
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,8461
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.
Nodi e valori
h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,569783 + 0,105399 = 3,384531
Regola di Simpson
S = (0,75/3)·3,384531 = 0,8461
Risposta
S = 0,8461
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = −0,2318
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.