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′ + 16y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 2. Trova y(2).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 4y′ + 20y = 40 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
La regione sotto y = 0,5x da x = 0 a x = 2 viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido (un cono).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(3x), con x in radianti. Trova f′(1).
f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 4. Trova l'ascissa x del massimo locale.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 4
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫02 1/√(1 + x⁴) dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,25 per y′ = e−ty, y(0) = 0,5, per stimare y3 ≈ y(0,75).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,01644
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 + 4)² = 0 → r = −4
Costanti
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 2 + 20 = 22
Calcola
y(2) = (5 + 22·2)·e−8 = 0,01644
Risposta
y(2) = 0,01644
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 2,416
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 = 2, r = −2 ± 4j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1
Picco
t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−2·π/4) = 2,416
Risposta
ymax = 2,416
3.Integrali
Risposta: V = 2,094
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.
Metodo dei dischi
V = π∫₀2 0,25x² dx
Integra
V = π·0,25·2³/3 = 2,094
Risposta
V = 2,094
Verifica: un cono di raggio 1 e altezza 2 ha (1/3)πr²h = 2,094.
4.Integrali
Risposta: I = 3,602
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
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Risposta
I = 3,602
5.Derivate
Risposta: f′(1) = −2,829
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(3x) + 3x·cos(3x)
Sostituisci
f′(1) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Risposta
f′(1) = −2,829
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
Risolvi f′(x) = 0
x = −3 oppure x = 1
Qual è quale
f″(x) = 6x + 6: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = −3
Risposta
x = −3
7.Metodi numerici
Risposta: S = 1,357
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
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,707107 + 0,242536 = 4,070963
Regola di Simpson
S = (1/3)·4,070963 = 1,357
Risposta
S = 1,357
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y3 = 1,046
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.