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) = 5 e y′(0) = -4. Trova y(1).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 5y′(0) = -4
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 500 L di acqua in cui sono disciolti 10 kg di sale. Una salamoia con 0,1 kg di sale per litro entra a 5 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 34 kg di sale?
V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫210 2/x dx.
f(x) = 2/x[2, 10]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = 4x.
y = x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x3·ex. Trova f′(2).
f(x) = x3·exx = 2
f′(2) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 12x + 3. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 12x + 3
x =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 5 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 30 s con la regola di Simpson.
h = 5 sn = 6
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,2 per y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, per stimare y2 ≈ y(0,4).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,2
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,4857
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 = 5, −3A − 5B = -4
A = 10,5, B = −5,5
Calcola
y(1) = 10,5·e−3 + (−5,5)·e−5 = 0,4857
Risposta
y(1) = 0,4857
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) = 50 + (−40)·e−t/100
Risolvi per t
e−t/100 = (50 − 34)/(50 − 10) = 0,4
t = 100·ln(2,5) = 91,63 min
Risposta
t = 91,63 min
3.Integrali
Risposta: I = 3,219
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) = 2·ln x
Valuta agli estremi
I = 2·(ln 10 − ln 2) = 2·ln 5 = 3,219
Risposta
I = 3,219
4.Integrali
Risposta: A = 10,67
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
x2 = 4x → x = 0, x = 4
Integra superiore meno inferiore
A = [2x2 − 0,3333x3]04 = 10,67
Risposta
A = 10,67
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 147,8
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 del prodotto
f′(x) = u′v + uv′ = ex·(3x2 + 1·x3)
Sostituisci
f′(2) = 7,389·(12 + 8) = 147,8
Risposta
f′(2) = 147,8
6.Derivate
Risposta: x = 2
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 − 12 = 3·(x2 − 4)
Risolvi f′(x) = 0
x = −2 oppure x = 2
Qual è quale
f″(x) = 6x: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−2) = −12, f″(2) = 12
x = 2
Risposta
x = 2
7.Metodi numerici
Risposta: s = 415 m
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.
Somma pesata
2 + 4·6 + 2·10 + 4·12 + 2·17 + 4·23 + 29 = 249
Regola di Simpson
s = (5/3)·249 = 415 m
Risposta
s = 415 m
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 1,504
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.