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 320 °C viene lasciato raffreddare in un’officina a 20 °C. Dopo 37 min la sua temperatura è 119 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 79 °C?
T0 = 320 °CTa = 20 °CT(37) = 119 °CT = 79 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 4y′ + 8y = 8 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(1,5); angoli in radianti.
y″ + 4y′ + 8y = 8y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x in radianti).
∫₀π/2 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 1 − x² e l'asse x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(3x2 + 5). Trova f′(−2).
f(x) = ln(3x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 2x2 − 5x in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 2x2 − 5xx = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 1/(1 + x³) dx con la regola di Simpson usando n = 6 strisce. Dai S.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
S =
8.Metodi numericiDifficile
Usa il metodo di Eulero con h = 0,1 per y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, per stimare y4 ≈ y(0,4).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y4 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 54,27 min
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.
Costante di raffreddamento
k = ln(300/99)/37 = 0,02996 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(300/59)/0,02996 = 54,27 min
Risposta
t = 54,27 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 1,042
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 = 1, r = −2 ± 2j
Costanti dai valori iniziali
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −1
Calcola
y(1,5) = 1·(1 − e−3(cos 3 + 1·sin 3)) = 1,042
Risposta
y(1,5) = 1,042
3.Integrali
Risposta: I = 0,5708
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.
Scegli u e dv
u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limiti
(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708
Risposta
I = 0,5708
4.Integrali
Risposta: A = 1,333
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.
Zeri
1 − x² = 0 → x = ±1
Integra
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Risposta
A = 1,333
5.Derivate
Risposta: f′(−2) = −0,7059
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 per il logaritmo
f′(x) = 6x/(3x2 + 5)
Sostituisci
f′(−2) = −12/17 = −0,7059
Risposta
f′(−2) = −0,7059
6.Derivate
Risposta: b = −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.
Punto e pendenza
f(−1) = 7
f′(x) = 4x − 5 → f′(−1) = −9
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 7 − (−9)·(−1) = −2
Risposta
b = −2
7.Metodi numerici
Risposta: S = 1,009
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: y4 = 0,4142
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.