Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. 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.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)22Ta​T = ?

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
tyK = 5ymax​ = ?

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
xy14

Calcola I = ∫14 1/x dx.

f(x) = 1/x[1, 4]
I =
4.IntegraliDifficile
xy2,5y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
xyx = 1,5

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
xy

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
xy00,3750,751,1251,5

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
00,20,40,60,80,50,60,70,8ty(0, 0,5)

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,3750,868815220,750,569783231,1250,282063241,50,1053991

Nodi e valori

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,868815 + 2·0,569783 + 2·0,282063 + 0,105399 = 4,546721

Regola dei trapezi

T = (0,375/2)·4,546721 = 0,8525

Risposta

T = 0,8525

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,50,250,5510,20,550,2750,60520,40,6050,30250,665530,60,66550,332750,73205

Passi di Eulero

y4 = 0,73205

Valore esatto

y(0,8) = 0,745912

Errore globale

|E| = |0,745912 − 0,73205| = 0,01386
00,20,40,60,80,50,60,70,8ty

Grafico

Risposta

|E| = 0,01386

Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.

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