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) = 2 e y′(0) = -1. Trova y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(2) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(1); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁3 x·ln x dx.
∫₁3 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 2x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 2xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 4x + 5 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 4x + 5x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 2 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 8 s con la regola di Simpson.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,5 per y′ = e−ty, y(0) = 0,5, per stimare y3 ≈ y(1,5).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y3 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 0,02975
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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 6 = 5
Calcola
y(2) = (2 + 5·2)·e−6 = 0,02975
Risposta
y(2) = 0,02975
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 1,205
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 ± 3j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −0,5
Calcola
y(1) = 1·(1 − e−1,5(cos 3 + 0,5·sin 3)) = 1,205
Risposta
y(1) = 1,205
3.Integrali
Risposta: I = 2,944
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
(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944
Risposta
I = 2,944
4.Integrali
Risposta: V = 1,676
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
2x = 2x² → x = 0, x = 1
Metodo delle rondelle
V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx
Integra
V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676
Risposta
V = 1,676
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = 1,104
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(x) + x·cos(x)
Sostituisci
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Risposta
f′(1,5) = 1,104
6.Derivate
Risposta: b = 0,5
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.
Punto e pendenza
f(3) = −2,5
f′(x) = x − 4 → f′(3) = −1
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2,5 − (−1)·3 = 0,5
Risposta
b = 0,5
7.Metodi numerici
Risposta: s = 86 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
7 + 4·6 + 2·10 + 4·15 + 18 = 129
Regola di Simpson
s = (2/3)·129 = 86 m
Risposta
s = 86 m
8.Metodi numerici
Risposta: y3 = 1,251
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.