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″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 2. Trova y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 1000 L di acqua in cui sono disciolti 5 kg di sale. Una salamoia con 0,2 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Quanto sale m c’è nel serbatoio dopo 90 min?
V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫24 5/x dx.
f(x) = 5/x[2, 4]
I =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (−2x + 5)4. Trova f′(2).
f(x) = (−2x + 5)4x = 2
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 2x2 + 2x + 5 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 2x2 + 2x + 5x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 sin x dx con la regola dei trapezi, n = 4, e confrontala con il valore esatto. Trova l’errore assoluto |E| = |T − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,1 per y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, per stimare y3 ≈ y(0,3).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,09667
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.
Radice doppia
(r + 3)² = 0 → r = −3
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 15 = 17
Calcola
y(2) = (5 + 17·2)·e−6 = 0,09667
Risposta
y(2) = 0,09667
2.Equazioni differenziali
Risposta: m = 167,8 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 = 20·0,2 − (20/1000)·m = 4 − 0,02·m
Risolvi
Il fattore integrante è ert/V; la soluzione tende all’equilibrio c·V.
m(t) = 200 + (−195)·e−t/50
Sostituisci t
m(90) = 200 + (−195)·0,1653 = 167,8 kg
Risposta
m = 167,8 kg
3.Integrali
Risposta: I = 3,466
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) = 5·ln x
Valuta agli estremi
I = 5·(ln 4 − ln 2) = 5·ln 2 = 3,466
Risposta
I = 3,466
4.Integrali
Risposta: I = 0,7183
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
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Risposta
I = 0,7183
5.Derivate
Risposta: f′(2) = −8
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) = 4·(−2x + 5)3·(−2)
Sostituisci
f′(2) = 4·13·(−2) = −8
Risposta
f′(2) = −8
6.Derivate
Risposta: b = −13
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(3) = 29
f′(x) = 4x + 2 → f′(3) = 14
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 29 − 14·3 = −13
Risposta
b = −13
7.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,002397
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.
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.