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 4 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 25 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,08 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 16 min.
T0 = 4 °CTa = 25 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 16 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 3y′ + 18,25y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(0,25); angoli in radianti.
y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = x2 e y = 4x.
y = x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivateDifficile
Sia f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 4. Trova l'ascissa x del minimo locale.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 4
x =
7.Metodi numericiMedia
Approssima ∫01 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 2 strisce. Dai S.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Metodi numericiDifficile
Risolvi y′ = y(2 − y), y(0) = 1 con il metodo di Eulero e passo h = 0,5 fino a t = 2. La soluzione esatta è y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Trova l’errore globale |E| = |y(2) − y4|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,5
|E| =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: T = 19,16 °C
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.
Soluzione della legge di raffreddamento
T(t) = 25 + (−21)·e−0,08t
Sostituisci t
T(16) = 25 + (−21)·0,278 = 19,16 °C
Risposta
T = 19,16 °C
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.25) = 2,941
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 ± 4j
Costanti
A = 5, B = 1,5·5/4 = 1,875
Calcola
y(0,25) = e−0,375(5·cos 1 + 1,875·sin 1) = 2,941
Risposta
y(0,25) = 2,941
3.Integrali
Risposta: I = 156
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 u3 du
Integra e valuta
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Risposta
I = 156
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.
Punti di intersezione
x2 = 4x → x = 0, x = 4
Integra superiore meno inferiore
A = [2x2 − 0,3333x3]04 = 10,67
Risposta
A = 10,67
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 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(x) + x·cos(x)
Sostituisci
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Risposta
f′(2) = 0,077
6.Derivate
Risposta: x = 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.
Derivata
f′(x) = 3x2 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Risolvi f′(x) = 0
x = 2 oppure x = 4
Qual è quale
f″(x) = 6x − 18: negativa in un massimo, positiva in un minimo.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4
Risposta
x = 4
7.Metodi numerici
Risposta: S = 0,7472
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 = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,778801 + 0,367879 = 4,483083
Regola di Simpson
S = (0,5/3)·4,483083 = 0,7472
Risposta
S = 0,7472
Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.
8.Metodi numerici
Risposta: |E| = 0,03594
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 = 1,999969
Valore esatto
y(2) = 1,964028
Errore globale
|E| = |1,964028 − 1,999969| = 0,03594
Grafico
Risposta
|E| = 0,03594
Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.