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″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 2. Trova y(2).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + y′ + 9,25y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(3x), con x in radianti. Trova f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 4. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 4
x =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 5 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 20 s con la regola di Simpson.
h = 5 sn = 4
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = t − y, y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,5 fino a t = 1,5. La soluzione esatta è y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Trova l’errore globale |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,1816
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 caratteristiche
(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Costanti dai valori iniziali
A + B = 3, −2A − 3B = 2
A = 11, B = −8
Calcola
y(2) = 11·e−4 + (−8)·e−6 = 0,1816
Risposta
y(2) = 0,1816
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 0,3691
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.
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limiti
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Risposta
I = 1,551
4.Integrali
Risposta: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Risposta
I = 12,78
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 5,482
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(3x) + 3x·cos(3x)
Sostituisci
f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Risposta
f′(2) = 5,482
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 18: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4
Risposta
x = 4
7.Metodi numerici
Risposta: s = 170 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
7 + 4·7 + 2·6 + 4·11 + 11 = 102
Regola di Simpson
s = (5/3)·102 = 170 m
Risposta
s = 170 m
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,1472
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.
Passi di Eulero
y3 = 0,6875
Valore esatto
y(1,5) = 0,834695
Errore globale
|E| = |0,834695 − 0,6875| = 0,1472
Grafico
Risposta
|E| = 0,1472
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.