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
Un pezzo d’acciaio forgiato a 300 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 26 °C. Dopo 39 min la sua temperatura è 84 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.
T0 = 300 °CTa = 26 °CT(39) = 84 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 3y′ + 6,25y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(2x2 + 2). Trova f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 12x2 + 36x + 2. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 12x2 + 36x + 2
x =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 2 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 12 s con la regola dei trapezi.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = t − y, y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,25 fino a t = 0,75. La soluzione esatta è y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Trova l’errore globale |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: k = 0,03981 min⁻¹
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.
Rapporto delle differenze di temperatura
e−39k = 58/274
Risolvi per k
k = ln(274/58)/39 = 0,03981 min⁻¹
Risposta
k = 0,03981 min⁻¹
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 2,767
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 = −1,5 ± 2j
Costanti
A = 5, B = 1,5·5/2 = 3,75
Calcola
y(0,5) = e−0,75(5·cos 1 + 3,75·sin 1) = 2,767
Risposta
y(0,5) = 2,767
3.Integrali
Risposta: I = 0,8647
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) = e−x/(−1)
Valuta agli estremi
I = (e−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647
Risposta
I = 0,8647
4.Integrali
Risposta: A = 5,333
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
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Integra superiore meno inferiore
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Risposta
A = 5,333
5.Derivate
Risposta: f′(−1) = −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.
Regola della catena per il logaritmo
f′(x) = 4x/(2x2 + 2)
Sostituisci
f′(−1) = −4/4 = −1
Risposta
f′(−1) = −1
6.Derivate
Risposta: x = 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.
Derivata
f′(x) = 3x2 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 6
Qual è quale
f″(x) = 6x − 24: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 6
Risposta
x = 6
7.Metodi numerici
Risposta: s = 137 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
9 + 2·8 + 2·12 + 2·11 + 2·9 + 2·14 + 20 = 137
Regola dei trapezi
s = (2/2)·137 = 137 m
Risposta
s = 137 m
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,07574
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 = 0,382813
Valore esatto
y(0,75) = 0,45855
Errore globale
|E| = |0,45855 − 0,382813| = 0,07574
Grafico
Risposta
|E| = 0,07574
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.