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 tazza di caffè a 86 °C viene lasciata in una stanza a 18 °C. Dopo 28 min la sua temperatura è 40 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 31 °C?
T0 = 86 °CTa = 18 °CT(28) = 40 °CT = 31 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi il problema ai valori iniziali y′ + y/x = 4x2 per x > 0, con y(1) = 5. Trova y(2).
y′ + y/x = 4x2y(1) = 5
y(2) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x in radianti).
∫₀π/3 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 2x2 e y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(2x), con x in radianti. Trova f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 1. Trova l'ascissa x del massimo locale.
f(x) = x3 − 13,5x2 + 54x − 1
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx con la regola dei trapezi usando n = 4 strisce. Dai T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = y − t², y(0) = 2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,2 fino a t = 0,8. La soluzione esatta è y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Trova l’errore globale |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,2
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: t = 41,05 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(68/22)/28 = 0,0403 min⁻¹
Tempo per raggiungere la temperatura desiderata
t = ln(68/13)/0,0403 = 41,05 min
Risposta
t = 41,05 min
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(2) = 10
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.
Fattore integrante
μ = e∫1/x dx = x1
Integra
(x1y)′ = 4x3 → x1y = 4x4/4 + C
Condizione iniziale
5 = 4/4 + C → C = 4
Calcola
y(2) = (4·24/4 + 4)/21 = 10
Risposta
y(2) = 10
3.Integrali
Risposta: I = 0,4069
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/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0,4069
Risposta
I = 0,4069
4.Integrali
Risposta: A = 1,125
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.
Punti di intersezione
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Integra superiore meno inferiore
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Risposta
A = 1,125
5.Derivate
Risposta: f′(1) = 0,077
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(2x) + 2x·cos(2x)
Sostituisci
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Risposta
f′(1) = 0,077
6.Derivate
Risposta: x = 3
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 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)
Risolvi f′(x) = 0
x = 3 oppure x = 6
Qual è quale
f″(x) = 6x − 27: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 3
Risposta
x = 3
7.Metodi numerici
Risposta: T = 1,194
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| = 0,2147
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 = 4,02528
Valore esatto
y(0,8) = 4,24
Errore globale
|E| = |4,24 − 4,02528| = 0,2147
Grafico
Risposta
|E| = 0,2147
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.