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) = 3 e y′(0) = -2. Trova y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 200 L di acqua pura. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 2 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 6 kg di sale?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 3x e la parabola y = x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 3xy = x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (2x + 3)5. Trova f′(0).
f(x) = (2x + 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 5. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 5
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫03 √x·e−x dx con la regola dei trapezi usando n = 2 strisce. Dai T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
T =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 per y′ = t² + y², y(0) = 1. Trova y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,15
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) = 3
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 9 = 7
Calcola
y(1,5) = (3 + 7·1,5)·e−4,5 = 0,15
Risposta
y(1,5) = 0,15
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 91,63 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.
Risultato
m(t) = 10 + (−10)·e−t/100
Risolvi per t
e−t/100 = (10 − 6)/(10 − 0) = 0,4
t = 100·ln(2,5) = 91,63 min
Risposta
t = 91,63 min
3.Integrali
Risposta: I = 12
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 = ∫15 u1 du
Integra e valuta
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Risposta
I = 12
4.Integrali
Risposta: V = 101,8
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
3x = 1x² → x = 0, x = 3
Metodo delle rondelle
V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx
Integra
V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8
Risposta
V = 101,8
5.Derivate
Risposta: f′(0) = 810
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·(2x + 3)4·2
Sostituisci
f′(0) = 5·34·2 = 810
Risposta
f′(0) = 810
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 + 3x − 6 = 3·(x2 + x − 2)
Risolvi f′(x) = 0
x = −2 oppure x = 1
Qual è quale
f″(x) = 6x + 3: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = 1
Risposta
x = 1
7.Metodi numerici
Risposta: T = 0,4746
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.
Nodi e valori
h = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,273278 + 0,0862337 = 0,632789
Regola dei trapezi
T = (1,5/2)·0,632789 = 0,4746
Risposta
T = 0,4746
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 2,055
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.