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 85 °C viene lasciata in una stanza a 23 °C. Dopo 21 min la sua temperatura è 41 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 29 °C?
T0 = 85 °CTa = 23 °CT(21) = 41 °CT = 29 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 4y′ + 29y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 6x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 6xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(3x2 + 5). Trova f′(1).
f(x) = ln(3x2 + 5)x = 1
f′(1) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 4. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x − 4
x =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫13 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 3]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 per y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 39,65 min
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.
Costante di raffreddamento
k = ln(62/18)/21 = 0,05889 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(62/6)/0,05889 = 39,65 min
Risposta
t = 39,65 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = −0,4133
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 = −2 ± 5j
Costanti
A = 2, B = 2·2/5 = 0,8
Calcola
y(0,5) = e−1(2·cos 2,5 + 0,8·sin 2,5) = −0,4133
Risposta
y(0,5) = −0,4133
3.Integrali
Risposta: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Risposta
I = 14,12
4.Integrali
Risposta: V = 407,2
Volumi di rotazione: ruotando attorno all’asse x la regione sotto y = f(x) da x = a a x = b si ottiene un solido la cui sezione in x è un disco di raggio f(x). Sommando i dischi si ha V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Quando la regione sta tra una curva esterna R(x) e una interna r(x), ogni fetta è una rondella: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva al quadrato i raggi prima di sottrarli.
Punti di intersezione
6x = 2x² → x = 0, x = 3
Metodo delle rondelle
V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx
Integra
V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2
Risposta
V = 407,2
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 0,75
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) = 6x/(3x2 + 5)
Sostituisci
f′(1) = 6/8 = 0,75
Risposta
f′(1) = 0,75
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 + 15x + 12 = 3·(x2 + 5x + 4)
Risolvi f′(x) = 0
x = −4 oppure x = −1
Qual è quale
f″(x) = 6x + 15: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−4) = −9, f″(−1) = 9
x = −1
Risposta
x = −1
7.Metodi numerici
Risposta: n = 37
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 > 8·2/(12·0,001) = 1333
n > 36,51 → n = 37
Risposta
n = 37
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 0,5972
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.