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
Un pezzo d’acciaio forgiato a 500 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 22 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,05 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 22 min.
T0 = 500 °CTa = 22 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 22 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫14 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 4]
I =
4.IntegraliDifficile
Calcola I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
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
Sia f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x + 4. Trova l'ascissa x del massimo locale.
f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x + 4
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 e−x² dx con la regola dei trapezi usando n = 4 strisce. Dai T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = 0,5y, y(0) = 0,5 con il metodo di Eulero e passo h = 0,2 fino a t = 0,8. La soluzione esatta è y = y₀e0,5t. Trova l’errore globale |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = 0,5yy(0) = 0,5h = 0,2
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: T = 181,1 °C
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.
Soluzione della legge di raffreddamento
T(t) = 22 + 478·e−0,05t
Sostituisci t
T(22) = 22 + 478·0,3329 = 181,1 °C
Risposta
T = 181,1 °C
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 6,948
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 = 5, r = −1,5 ± 5j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −1,5
Picco
t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1,5·π/5) = 6,948
Risposta
ymax = 6,948
3.Integrali
Risposta: I = 1,386
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) = ln x
Valuta agli estremi
I = (ln 4 − ln 1) = ln 4 = 1,386
Risposta
I = 1,386
4.Integrali
Risposta: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Risposta
I = 37,59
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: x = −4
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 + 21x + 36 = 3·(x2 + 7x + 12)
Risolvi f′(x) = 0
x = −4 oppure x = −3
Qual è quale
f″(x) = 6x + 21: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(−4) = −3, f″(−3) = 3
x = −4
Risposta
x = −4
7.Metodi numerici
Risposta: T = 0,8525
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: |E| = 0,01386
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
y4 = 0,73205
Valore esatto
y(0,8) = 0,745912
Errore globale
|E| = |0,745912 − 0,73205| = 0,01386
Grafico
Risposta
|E| = 0,01386
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.