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) = 3 e y′(0) = -1. Trova y(1).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(1) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + 2y/x = 6x2 per x > 0, con y(1) = 1. Trova y(3).
y′ + 2y/x = 6x2y(1) = 1
y(3) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫14 5/x dx.
f(x) = 5/x[1, 4]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(0,5).
f(x) = x·sin(x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 4. Trova l'ascissa x del massimo locale.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 4
x =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫01 sin x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [0, 1]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,0005.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0005
n =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = −2ty, y(0) = 2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,25 fino a t = 1,25. La soluzione esatta è y = y₀e−t². Trova l’errore globale |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,25
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,2564
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) = 3
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 12 = 11
Calcola
y(1) = (3 + 11·1)·e−4 = 0,2564
Risposta
y(1) = 0,2564
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(3) = 32,38
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.
Fattore integrante
μ = e∫2/x dx = x2
Integra
(x2y)′ = 6x4 → x2y = 6x5/5 + C
Condizione iniziale
1 = 6/5 + C → C = −0,2
Calcola
y(3) = (6·35/5 + (−0,2))/32 = 32,38
Risposta
y(3) = 32,38
3.Integrali
Risposta: I = 6,931
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) = 5·ln x
Valuta agli estremi
I = 5·(ln 4 − ln 1) = 5·ln 4 = 6,931
Risposta
I = 6,931
4.Integrali
Risposta: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Integra superiore meno inferiore
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Risposta
A = 18
5.Derivate
Risposta: f′(0.5) = 0,9182
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′(0,5) = 0,4794 + 0,5·0,8776 = 0,9182
Risposta
f′(0,5) = 0,9182
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 18: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Risposta
x = 2
7.Metodi numerici
Risposta: n = 12
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 = sin 1 = 0,8415
Ricava n
n² > 1·0,8415/(12·0,0005) = 140,2
n > 11,84 → n = 12
Risposta
n = 12
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,009067
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.
Passi di Eulero
y5 = 0,410156
Valore esatto
y(1,25) = 0,419223
Errore globale
|E| = |0,419223 − 0,410156| = 0,009067
Grafico
Risposta
|E| = 0,009067
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.