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 89 °C viene lasciata in una stanza a 22 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,12 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 15 min.
T0 = 89 °CTa = 22 °Ck = 0,12 min⁻¹t = 15 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 200 L di acqua in cui sono disciolti 20 kg di sale. Una salamoia con 0,2 kg di sale per litro entra a 5 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 75 min?
V = 200 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀2 x·cos x dx (x in radianti).
∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (2x − 1)3. Trova f′(1).
f(x) = (2x − 1)3x = 1
f′(1) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = x2 in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = x2x = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫12 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 2]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,5 per y′ = t − y, y(0) = 2, per stimare y3 ≈ y(1,5).
y′ = t − yy(0) = 2h = 0,5
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: T = 33,08 °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 + 67·e−0,12t
Sostituisci t
T(15) = 22 + 67·0,1653 = 33,08 °C
Risposta
T = 33,08 °C
2.Equazioni differenziali
Risposta: m = 36,93 kg
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.
Imposta l’equazione
dm/dt = 5·0,2 − (5/200)·m = 1 − 0,025·m
Risolvi
Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.
m(t) = 40 + (−20)·e−t/40
Sostituisci t
m(75) = 40 + (−20)·0,1534 = 36,93 kg
Risposta
m = 36,93 kg
3.Integrali
Risposta: I = 0,4024
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limiti
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Risposta
I = 0,4024
4.Integrali
Risposta: A = 1,125
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
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Integra superiore meno inferiore
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Risposta
A = 1,125
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 6
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
f′(x) = 3·(2x − 1)2·2
Sostituisci
f′(1) = 3·12·2 = 6
Risposta
f′(1) = 6
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(−1) = 1
f′(x) = 2x → f′(−1) = −2
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−2)·(−1) = −1
Risposta
b = −1
7.Metodi numerici
Risposta: n = 13
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 > 1·2/(12·0,001) = 166,7
n > 12,91 → n = 13
Risposta
n = 13
8.Metodi numerici
Risposta: y3 = 1,232
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.