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″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0. Trova y(1,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y′ + 2y = 6e−3t con y(0) = 4. Trova y(0,5).
y′ + 2y = 6e−3ty(0) = 4
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(3x), con x in radianti. Trova f′(1,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 2. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x + 2
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 √(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 4 strisce. Dai S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,25 per y′ = e−ty, y(0) = 1, per stimare y2 ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,25
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,3983
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 + 2)² = 0 → r = −2
Costanti
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 0 + 4 = 4
Calcola
y(1,5) = (2 + 4·1,5)·e−3 = 0,3983
Risposta
y(1,5) = 0,3983
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 2,34
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 = e2t
(e2ty)′ = 6e−t
Soluzione generale
y = 6/(−1)·e−3t + C·e−2t = −6·e−3t + C·e−2t
Condizione iniziale
4 = −6 + C → C = 10
Calcola
y(0,5) = −6·0,2231 + 10·0,3679 = 2,34
Risposta
y(0,5) = 2,34
3.Integrali
Risposta: I = 1,5
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 = ∫12 u1 du
Integra e valuta
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5
Risposta
I = 1,5
4.Integrali
Risposta: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Risposta
I = 12,78
5.Derivate
Risposta: f′(1.5) = −1,926
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′(1,5) = −0,9775 + 4,5·(−0,2108) = −1,926
Risposta
f′(1,5) = −1,926
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 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 3
Qual è quale
f″(x) = 6x − 15: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 3
Risposta
x = 3
7.Metodi numerici
Risposta: S = 1,111
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.
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 1,371
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.