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′ + 8y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 6. Trova y(0,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 6
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 17y = 85 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova il valore di picco ymax della sua risposta al gradino.
y″ + 2y′ + 17y = 85y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 5x e la parabola y = 2x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 5xy = 2x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = (−2x + 3)3. Trova f′(0).
f(x) = (−2x + 3)3x = 0
f′(0) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = x2 − 3x in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = x2 − 3xx = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 1 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 4 s con la regola dei trapezi.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Heun (Eulero migliorato) con h = 0,1 per y′ = t² + y², y(0) = 1, per stimare y2 ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,1
y2 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 1,298
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.
Radici caratteristiche
(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 1, −2A − 4B = 6
A = 5, B = −4
Calcola
y(0,5) = 5·e−1 + (−4)·e−2 = 1,298
Risposta
y(0,5) = 1,298
2.Equazioni differenziali
Risposta: ymax = 7,28
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 ± 4j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −1,25
Picco
t = π/4 = 0,7854
ymax = 5·(1 + e−1·π/4) = 7,28
Risposta
ymax = 7,28
3.Integrali
Risposta: I = 12
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 = ∫15 u1 du
Integra e valuta
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Risposta
I = 12
4.Integrali
Risposta: V = 163,6
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
5x = 2x² → x = 0, x = 2,5
Metodo delle rondelle
V = π∫₀2,5 ((5x)² − (2x²)²) dx
Integra
V = π(25·2,5³/3 − 4·2,5⁵/5) = π·52,08 = 163,6
Risposta
V = 163,6
5.Derivate
Risposta: f′(0) = −54
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 della catena
f′(x) = 3·(−2x + 3)2·(−2)
Sostituisci
f′(0) = 3·32·(−2) = −54
Risposta
f′(0) = −54
6.Derivate
Risposta: b = −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.
Punto e pendenza
f(−2) = 10
f′(x) = 2x − 3 → f′(−2) = −7
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − (−7)·(−2) = −4
Risposta
b = −4
7.Metodi numerici
Risposta: s = 43 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
8 + 2·9 + 2·10 + 2·13 + 14 = 86
Regola dei trapezi
s = (1/2)·86 = 43 m
Risposta
s = 43 m
8.Metodi numerici
Risposta: y2 = 1,252
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.