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″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 6. Trova y(2).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 6,25y = 6,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 3y′ + 6,25y = 6,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(2x), con x in radianti. Trova f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 2. Trova l'ascissa x del massimo locale.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 2
x =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫12 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 2]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,5 per y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5, per stimare y2 ≈ y(1).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,5
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,03182
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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Costanti dai valori iniziali
A + B = 4, −3A − 5B = 6
A = 13, B = −9
Calcola
y(2) = 13·e−6 + (−9)·e−10 = 0,03182
Risposta
y(2) = 0,03182
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 1,095
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.
Valore a regime e radici
yss = 1, r = −1,5 ± 2j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −0,75
Picco
t = π/2 = 1,571
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/2) = 1,095
Risposta
ymax = 1,095
3.Integrali
Risposta: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Risposta
I = 0,1436
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′(2) = −3,371
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(2x) + 2x·cos(2x)
Sostituisci
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Risposta
f′(2) = −3,371
6.Derivate
Risposta: x = 3
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 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Risolvi f′(x) = 0
x = 3 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 21: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 3
Risposta
x = 3
7.Metodi numerici
Risposta: n = 130
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 > 1·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 16667
n > 129,1 → n = 130
Risposta
n = 130
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 1,386
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.