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″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 6. Trova y(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 5y′(0) = 6
y(1.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Un serbatoio contiene 500 L di acqua in cui sono disciolti 5 kg di sale. Una salamoia con 0,05 kg di sale per litro entra a 20 L/min, e la soluzione ben miscelata esce con la stessa portata. Dopo quanti minuti t il serbatoio contiene 21 kg di sale?
V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x in radianti).
∫₀π/2 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
La regione tra la retta y = 3x e la parabola y = 3x² viene ruotata attorno all’asse x. Trova il volume V del solido.
y = 3xy = 3x²
V =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = ln(2x2 + 1). Trova f′(2).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = 2
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 0,5x2 − x − 4 in x = 3 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 0,5x2 − x − 4x = 3
b =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫02 √x·e−x dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 per y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trova y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(1.5) = 0,2368
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Costanti dai valori iniziali
A + B = 5, −3A − 4B = 6
A = 26, B = −21
Calcola
y(1,5) = 26·e−4,5 + (−21)·e−6 = 0,2368
Risposta
y(1,5) = 0,2368
2.Equazioni differenziali
Risposta: t = 40,24 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.
Risultato
m(t) = 25 + (−20)·e−t/25
Risolvi per t
e−t/25 = (25 − 21)/(25 − 5) = 0,2
t = 25·ln(5) = 40,24 min
Risposta
t = 40,24 min
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: V = 3,77
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
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Metodo delle rondelle
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Integra
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Risposta
V = 3,77
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 0,8889
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) = 4x/(2x2 + 1)
Sostituisci
f′(2) = 8/9 = 0,8889
Risposta
f′(2) = 0,8889
6.Derivate
Risposta: b = −8,5
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(3) = −2,5
f′(x) = x − 1 → f′(3) = 2
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2,5 − 2·3 = −8,5
Risposta
b = −8,5
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,5543
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.
Nodi e valori
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,367879 + 0,191393 = 1,662911
Regola di Simpson
S = (1/3)·1,662911 = 0,5543
Risposta
S = 0,5543
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 0,5267
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.