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
Una lattina di bibita a 5 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 22 °C. Dopo 27 min la sua temperatura è 19 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 20 °C?
T0 = 5 °CTa = 22 °CT(27) = 19 °CT = 20 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 3y′ + 6,25y = 0 con y(0) = 10 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,5); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫03 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 3]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione tra la parabola y = 4 − x² e l'asse x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x2·e2x. Trova f′(2).
f(x) = x2·e2xx = 2
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − 3x + 3 in x = −1 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − 3x + 3x = −1
b =
7.Metodi numericiMedia
La regola dei trapezi è usata per ∫13 1/x dx. L’errore è al più (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| su [1, 3]. Trova il numero minimo di strisce n che garantisce un errore inferiore a 0,0001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,0001
n =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 per y′ = e−ty, y(0) = 1. Trova y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 33,31 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(-17/-3)/27 = 0,06424 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(-17/(−2))/0,06424 = 33,31 min
Risposta
t = 33,31 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 5,533
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 complesse
r = −1,5 ± 2j
Costanti
A = 10, B = 1,5·10/2 = 7,5
Calcola
y(0,5) = e−0,75(10·cos 1 + 7,5·sin 1) = 5,533
Risposta
y(0,5) = 5,533
3.Integrali
Risposta: I = 201,2
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) = e2x/2
Valuta agli estremi
I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2
Risposta
I = 201,2
4.Integrali
Risposta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integra
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Risposta
A = 10,67
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 655,2
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.
Regola del prodotto
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(2x + 2·x2)
Sostituisci
f′(2) = 54,6·(4 + 8) = 655,2
Risposta
f′(2) = 655,2
6.Derivate
Risposta: b = 2,5
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) = 6,5
f′(x) = x − 3 → f′(−1) = −4
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6,5 − (−4)·(−1) = 2,5
Risposta
b = 2,5
7.Metodi numerici
Risposta: n = 116
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.
Maggiorazione della derivata seconda
M = 2/1³ = 2
Ricava n
n² > 8·2/(12·0,0001) = 13333
n > 115,5 → n = 116
Risposta
n = 116
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 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.