Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. 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.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)53Ta​62 °C

Un pezzo d’acciaio forgiato a 480 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 30 °C. Dopo 53 min la sua temperatura è 62 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trova la costante k in min⁻¹.

T0 = 480 °CTa = 30 °CT(53) = 62 °C
k = min⁻¹
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Risolvi y″ + 3y′ + 18,25y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(1,5); angoli in radianti.

y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
xy01

Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
xyy = 2x2​y = 2x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
5.DerivateMedia
xyx = −1

Sia f(x) = (4x + 5)5. Trova f′(−1).

f(x) = (4x + 5)5x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
xy

Sia f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 5. Trova l'ascissa x del massimo locale.

f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 5
x =
7.Metodi numericiMedia
xy00,250,50,751

Approssima ∫01 sin(x²) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,20,40,60,40,450,5ty(0, 0,5)

Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,25 per y′ = t − y, y(0) = 0,5, per stimare y3 ≈ y(0,75).

y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: k = 0,04988 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−53k = 32/450

Risolvi per k

k = ln(450/32)/53 = 0,04988 min⁻¹

Risposta

k = 0,04988 min⁻¹
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 0,4508

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 ± 4j

Costanti

A = 5, B = 1,5·5/4 = 1,875

Calcola

y(1,5) = e−2,25(5·cos 6 + 1,875·sin 6) = 0,4508

Risposta

y(1,5) = 0,4508
3.Integrali

Risposta: I = 2,333

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.

Sostituzione

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du

Integra e valuta

I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333

Risposta

I = 2,333
4.Integrali

Risposta: A = 0,3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

Integra superiore meno inferiore

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Risposta

A = 0,3333
5.Derivate

Risposta: f′(−1) = 20

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) = 5·(4x + 5)4·4

Sostituisci

f′(−1) = 5·14·4 = 20

Risposta

f′(−1) = 20
6.Derivate

Risposta: x = 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.

Derivata

f′(x) = 3x2 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)

Risolvi f′(x) = 0

x = 1 oppure x = 2

Qual è quale

f″(x) = 6x − 9: negativa in un massimo, positiva in un minimo.

f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 1

Risposta

x = 1
7.Metodi numerici

Risposta: S = 0,3099

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.

ixᵢf(xᵢ)peso000110,250,0624593420,50,247404230,750,5333034410,8414711

Nodi e valori

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,0624593 + 2·0,247404 + 4·0,533303 + 0,841471 = 3,719327

Regola di Simpson

S = (0,25/3)·3,719327 = 0,3099

Risposta

S = 0,3099

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: y3 = 0,4653

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁000,5−0,5−0,1250,42187510,250,421875−0,1718750,1210940,41552720,50,4155270,08447270,3133540,465256

Passi di Heun

y₁ = 0,5 + (0,25/2)(−0,5 − 0,125) = 0,421875
y₂ = 0,421875 + (0,25/2)(−0,171875 + 0,121094) = 0,415527
y₃ = 0,415527 + (0,25/2)(0,0844727 + 0,313354) = 0,465256
00,20,40,60,40,450,5ty

Grafico

y3 = 0,4653

Risposta

y3 = 0,4653

Il valore esatto è y(0,75) = 0,45855.

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